Les structures cristallines flexibles fournissent des matériaux énergétiques solides

Les structures cristallines flexibles fournissent des matériaux énergétiques solides : une équipe de chercheurs de l'Université Duke et leurs collaborateurs ont découvert les mécanismes atomiques qui font d'une classe de composés appelés argyrodites des candidats attrayants pour les électrolytes de batterie à l'état solide et les convertisseurs d'énergie thermoélectrique.

Les découvertes - et l'approche d'apprentissage automatique utilisée pour les faire - pourraient aider à inaugurer une nouvelle ère de stockage d'énergie pour des applications telles que les murs de batterie domestiques et les véhicules électriques à recharge rapide.

Les résultats ont été publiés en ligne le 18 mai dans la revue Nature Materials.

"C'est un casse-tête qui n'a jamais été résolu auparavant en raison de la taille et de la complexité de chaque élément constitutif du matériau", a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Nous avons dévoilé les mécanismes au niveau atomique qui font de toute cette classe de matériaux un sujet brûlant dans le domaine de l'innovation des batteries à semi-conducteurs."

Alors que le monde évolue vers un avenir fondé sur les énergies renouvelables, les chercheurs doivent développer de nouvelles technologies pour stocker et distribuer l'énergie aux maisons et aux véhicules électriques. Si le porte-drapeau jusqu'à présent a été la batterie lithium-ion contenant des électrolytes liquides, elle est loin d'être une solution idéale compte tenu de son efficacité relativement faible et de l'affinité de l'électrolyte liquide à s'enflammer et à exploser occasionnellement.

"Nous avons dévoilé les mécanismes au niveau atomique qui font de toute cette classe de matériaux un sujet brûlant dans le domaine de l'innovation des batteries à semi-conducteurs."

OLIVIER DELAIRE

Ces limitations proviennent principalement des électrolytes liquides chimiquement réactifs à l'intérieur des batteries Li-ion qui permettent aux ions lithium de se déplacer relativement librement entre les électrodes. Bien qu'ils soient parfaits pour déplacer les charges électriques, le composant liquide les rend sensibles aux températures élevées qui peuvent provoquer une dégradation et, éventuellement, une catastrophe thermique galopante.

Les structures cristallines flexibles fournissent des matériaux énergétiques solides : de nombreux laboratoires de recherche publics et privés consacrent beaucoup de temps et d'argent au développement de batteries à semi-conducteurs alternatives à partir d'une variété de matériaux. Si elle est conçue correctement, cette approche offre un appareil beaucoup plus sûr et plus stable avec une densité d'énergie plus élevée - du moins en théorie.

Bien que personne n'ait encore découvert une approche commercialement viable des batteries à l'état solide, l'un des principaux concurrents s'appuie sur une classe de composés appelés argyrodites, du nom d'un minéral contenant de l'argent. Ces composés sont construits à partir de charpentes cristallines spécifiques et stables composées de deux éléments avec un troisième libre de se déplacer dans la structure chimique. Alors que certaines recettes telles que l'argent, le germanium et le soufre existent naturellement, le cadre général est suffisamment flexible pour que les chercheurs puissent créer un large éventail de combinaisons.

"Chaque constructeur de véhicules électriques essaie de passer à de nouvelles conceptions de batteries à semi-conducteurs, mais aucun d'entre eux ne divulgue les compositions sur lesquelles il parie", a déclaré Delaire. "Gagner cette course changerait la donne car les voitures pourraient charger plus vite, durer plus longtemps et être plus sûres à la fois."

Dans le nouvel article, Delaire et ses collègues examinent un candidat prometteur composé d'argent, d'étain et de sélénium (Ag8SnSe6). En utilisant une combinaison de neutrons et de rayons X, les chercheurs ont fait rebondir ces particules extrêmement rapides sur des atomes dans des échantillons d'Ag8SnSe6 pour révéler son comportement moléculaire en temps réel. Le membre de l'équipe Mayanak Gupta, un ancien post-doctorant du laboratoire de Delaire qui est maintenant chercheur au Bhabha Atomic Research Center en Inde, a également développé une approche d'apprentissage automatique pour donner un sens aux données et a créé un modèle informatique pour faire correspondre les observations en utilisant les premiers principes simulations mécaniques quantiques.

"Tous les constructeurs de véhicules électriques essaient de passer à de nouvelles conceptions de batteries à semi-conducteurs, mais aucun d'entre eux ne divulgue les compositions sur lesquelles ils parient. Gagner cette course changerait la donne car les voitures pourraient se recharger plus rapidement, durer plus longtemps et être plus sûres. tout à la fois."

OLIVIER DELAIRE

Les résultats ont montré que si les atomes d'étain et de sélénium créaient un échafaudage relativement stable, il était loin d'être statique. La structure cristalline fléchit constamment pour créer des fenêtres et des canaux permettant aux ions d'argent chargés de se déplacer librement à travers le matériau. Le système, a déclaré Delaire, est comme si les réseaux d'étain et de sélénium restent solides tandis que l'argent est dans un état presque liquide.

"C'est un peu comme si les atomes d'argent étaient des billes qui cliquetaient au fond d'un puits très peu profond, se déplaçant comme si l'échafaudage cristallin n'était pas solide", a déclaré Delaire. "Cette dualité d'un matériau vivant à la fois à l'état liquide et à l'état solide est ce que j'ai trouvé le plus surprenant."

Les résultats et, peut-être plus important encore, l'approche combinant la spectroscopie expérimentale avancée avec l'apprentissage automatique, devraient aider les chercheurs à progresser plus rapidement vers le remplacement des batteries lithium-ion dans de nombreuses applications cruciales. Selon Delaire, cette étude n'est que l'un d'une série de projets visant une variété de composés d'argyrodite prometteurs comprenant différentes recettes. Une combinaison qui remplace l'argent par du lithium intéresse particulièrement le groupe, compte tenu de son potentiel pour les batteries de véhicules électriques.

Les structures cristallines flexibles fournissent des matériaux énergétiques solides : "Beaucoup de ces matériaux offrent une conduction très rapide pour les batteries tout en étant de bons isolants thermiques pour les convertisseurs thermoélectriques, nous examinons donc systématiquement toute la famille de composés", a déclaré Delaire. "Cette étude sert à comparer notre approche d'apprentissage automatique qui a permis d'énormes progrès dans notre capacité à simuler ces matériaux en seulement quelques années. Je pense que cela nous permettra de simuler rapidement de nouveaux composés virtuellement pour trouver les meilleures recettes que ces composés doivent utiliser. offre."

"Cette étude sert à comparer notre approche d'apprentissage automatique qui a permis d'énormes progrès dans notre capacité à simuler ces matériaux en seulement quelques années. Je pense que cela nous permettra de simuler rapidement de nouveaux composés virtuellement pour trouver les meilleures recettes que ces composés doivent utiliser. offre."

OLIVIER DELAIRE

Il est également important pour Delaire de savoir à quel point ce projet en cours est "axé sur la famille", car il comprend nombre de ses coéquipiers de laboratoire actuels et anciens considérés comme faisant partie de sa "famille universitaire".

Outre le Gupta mentionné précédemment, qui était autrefois postdoctorant dans le laboratoire de Delaire, Jie Ma, le dernier auteur correspondant de l'article, était le premier postdoctorant de Delaire lorsqu'il était scientifique au Oak Ridge National Laboratory. Ma a eu beaucoup de succès et est devenu professeur de physique à l'Université Jiao Tong de Shanghai en Chine. Et Jingxuan Ding, un ancien doctorant de Delaire qui a obtenu son diplôme l'été dernier, est maintenant postdoctorant à l'Université de Harvard et a également soutenu l'analyse et la modélisation.

Ce travail a été soutenu par la Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2021B1515140014), la National Natural Science Foundation of China (52101236, U1732154, T2125008, 52272006), l'Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Science (E15154U110), le Projet ouvert du Key Laboratory of Artificial Structures and Quantum Control (2021-05), de la US National Science Foundation (DMR-2119273), du "Shuguang Program" de la Shanghai Education Development Foundation et de la Shanghai Municipal Education Commission, de l'Australia Research Council ( DP210101436).

CITATION : "L'anharmonicité extrême des phonons sous-tend la diffusion superionique et la conductivité thermique ultrafaible dans l'argyrodite Ag8SnSe6" Qingyong Ren, Mayanak K. Gupta, Min Jin, Jingxuan Ding, Jiangtao Wu, Zhiwei Chen, Siqi Lin, Oscar Fabelo, Jose Alberto Rodriguez-Velamazan, Maiko Kofu, Kenji Nakajima, Marcell Wolf, Fengfeng Zhu, Jianli Wang, Zhenxiang Cheng, Guohua Wang, Xin Tong, Yanzhong Pei, Oliver Delaire, Jie Ma. Nature Materials, 18 mai 2023. doi:10.1038/s41563-023-01560-x

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