Une équipe de scientifiques dirigée par l'Université Duke a découvert comment fabriquer des batteries plus sûres, qui se rechargent plus rapidement et ont une durée de vie plus longue.
Cette découverte a été réalisée grâce à une compréhension plus approfondie du mouvement du lithium au niveau atomique dans un matériau prometteur pour batterie à semi-conducteurs , le chlorure de sulfure de lithium-phosphore (Li6PS5Cl ). À cette fin, les chercheurs ont mené des recherches sur la diffusion des neutrons au Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) .
"Notre recherche visait à comprendre ce qui se passe à l'intérieur de ces matériaux en utilisant la puissance de la diffusion des neutrons et des simulations informatiques à grande échelle", a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé à l'Université Duke et chef de l'équipe de recherche.
Le chlorure de lithium phosphore soufre (Li6PS5Cl) est un type de matériau de batterie à semi-conducteurs connu sous le nom de composé superionique.
"Les matériaux superioniques représentent un régime intermédiaire entre les états cristallins et liquides de la matière", expliquent les chercheurs dans l' étude .
Combiner expérimentation et calcul
L’équipe a utilisé des neutrons de la source de neutrons de spallation (SNS) de l’ORNL pour étudier la structure atomique de ce matériau.
Ces expériences ont été combinées à des simulations informatiques sophistiquées réalisées au Centre informatique scientifique national de recherche énergétique. Cette combinaison d’approches expérimentales et informatiques a fourni un aperçu détaillé, au niveau atomique, du comportement des ions lithium dans le solide.
Ils ont découvert que les ions lithium se déplacent aussi facilement dans ce matériau solide que dans les électrolytes liquides. Cette observation est cruciale car la mobilité des ions est fondamentale au fonctionnement des batteries.
Pour que la charge et la décharge se produisent, les ions doivent se déplacer librement entre les bornes de la batterie. La facilité avec laquelle le lithium se déplace dans ce matériau solide suggère le potentiel d’une charge plus rapide et plus sûre.
Ces découvertes pourraient conduire à la création d’ électrolytes solides (ESS) de nouvelle génération, combinant les avantages des électrolytes solides et liquides.
« Les deux grands défis, mais aussi opportunités, auxquels nous sommes confrontés sont de comprendre le fonctionnement de ces matériaux et de concevoir la prochaine génération de batteries. La diffusion des neutrons est nécessaire à la conception de ces matériaux », a noté Delaire.
Le rôle crucial des neutrons
Bien que les ESS offrent des avantages tels qu’une densité énergétique plus élevée, une plus grande sécurité et une plus faible combustibilité par rapport aux électrolytes liquides, ils ont été confrontés à des défis en raison d’une moindre mobilité ionique. Les ions doivent se déplacer librement pour se charger et se décharger, et les électrolytes liquides sont traditionnellement plus efficaces à cet égard.
L'équipe a utilisé des neutrons pour étudier le comportement du lithium, car les neutrons sont particulièrement sensibles aux éléments plus légers comme le lithium , fournissant des informations cruciales sur le matériau superionique à l'état solide.
"Les neutrons fournissent des informations sur l'endroit où se produisent des événements que nous ne pourrions pas voir autrement", a déclaré Doug Abernathy, chef du groupe de spectroscopie à géométrie directe du SNS.
À l’aide de techniques de spectroscopie de neutrons SNS, notamment le spectromètre à hacheur à large plage angulaire (ARCS) et le spectromètre de rétrodiffusion (BASIS), les scientifiques ont mesuré et modélisé la diffusion du lithium, révélant sa surprenante facilité de mouvement à l’intérieur du matériau solide.
Impact et tendances de la recherche
"Nos résultats sont importants car ils ouvrent la voie à l'optimisation de la conductivité des ions dans le matériau et donc à l'augmentation des performances des batteries", a conclu Naresh Osti, scientifique expert en diffusion de neutrons à l'ORNL.
Le secteur de l’énergie est actuellement en effervescence avec le développement de batteries à semi-conducteurs.
Alors qu’elles promettent de révolutionner les industries depuis les véhicules électriques jusqu’aux dispositifs de stockage d’énergie, les chercheurs du monde entier tentent de faire progresser ces batteries.
Récemment, une équipe de recherche japonaise a créé une batterie lithium-ion quasi-solide (LIB) ininflammable.
De plus, la startup américaine QuantumScape a commencé la production en faible volume de ses cellules à échantillon B, qui se chargent jusqu'à 80 % en 15 minutes et offrent une densité énergétique de 800 Wh/L.
Grâce à notre chaîne Telegram, vous pouvez rester informé de la publication de nouveaux articles sur les scénarios économiques.
L'article Les neutrons nous permettent de concevoir des batteries à semi-conducteurs plus efficaces et plus sûres provient de Scénarios économiques .
Cet article est une traduction automatique de la langue italienne d’un article publié sur le site Scenari Economici à l’URL https://scenarieconomici.it/i-neutroni-permettono-di-progettare-batterie-allo-stato-solido-piu-efficienti-e-sicure/ le Tue, 04 Feb 2025 07:30:03 +0000.