L'équipe Berkeley Lab et FSU conçoivent des batteries de nouvelle génération au niveau atomique

Une équipe du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et Florida State University a conçu un nouveau modèle pour les batteries à semi-conducteurs qui dépendent moins d'éléments chimiques spécifiques, en particulier de métaux critiques dont l'approvisionnement est difficile en raison de problèmes de chaîne d'approvisionnement. Leurs travaux, rapportés récemment dans la revue Sciences, pourrait faire progresser les batteries à semi-conducteurs qui sont efficaces et abordables.

Vantées pour leur haute densité énergétique et leur sécurité supérieure, les batteries à semi-conducteurs pourraient changer la donne pour l’industrie de la voiture électrique. Mais en développer un qui soit abordable et suffisamment conducteur pour alimenter une voiture sur des centaines de kilomètres avec une seule charge a longtemps été un obstacle difficile à surmonter.

"Avec notre nouvelle approche des batteries à semi-conducteurs, vous n'êtes pas obligé de renoncer à l'abordabilité pour les performances." — Yan Zeng, scientifique du Berkeley Lab, Division des sciences des matériaux

"Notre travail est le premier à résoudre ce problème en concevant un électrolyte solide avec non seulement un métal mais avec une équipe de métaux abordables", a déclaré le co-premier auteur Yan Zeng, scientifique à la division des sciences des matériaux du laboratoire de Berkeley.

Dans une batterie lithium-ion, l'électrolyte fonctionne comme un centre de transfert où les ions lithium se déplacent avec une charge électrique pour alimenter un appareil ou recharger la batterie.

Comme les autres batteries, les batteries à semi-conducteurs stockent de l’énergie et la restituent ensuite pour alimenter les appareils. Mais plutôt que les électrolytes liquides ou en gel polymère présents dans les batteries lithium-ion, elles utilisent un électrolyte solide.

Le gouvernement, la recherche et le monde universitaire ont massivement investi dans la recherche et le développement de batteries à semi-conducteurs, car les électrolytes liquides conçus pour de nombreuses batteries commerciales sont plus sujets à la surchauffe, aux incendies et aux pertes de charge.

Cependant, bon nombre des batteries à semi-conducteurs construites jusqu’à présent sont basées sur des types spécifiques de métaux coûteux et non disponibles en grande quantité. Certains ne se trouvent pas du tout aux États-Unis.

Pour l'étude actuelle, Zeng – avec Bin Ouyang, professeur adjoint de chimie et de biochimie à la Florida State University – et auteur principal Gerbrand Ceder, scientifique principal du Berkeley Lab et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'UC Berkeley, a démontré un nouveau type d'électrolyte solide constitué d'un mélange de divers éléments métalliques. Zeng et Ouyang ont développé pour la première fois l'idée de ce travail alors qu'ils terminaient leurs recherches postdoctorales au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley sous la supervision de Ceder.

Les nouveaux matériaux pourraient aboutir à un électrolyte solide plus conducteur et moins dépendant d’une grande quantité d’un élément individuel.

Dans des expériences menées au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley, les chercheurs ont démontré le nouvel électrolyte solide en synthétisant et en testant plusieurs matériaux lithium-ion et sodium-ion avec plusieurs métaux mélangés.

Ils ont observé que les nouveaux matériaux multimétalliques fonctionnaient mieux que prévu, affichant une conductivité ionique plusieurs ordres de grandeur plus rapide que les matériaux monométalliques. La conductivité ionique est une mesure de la rapidité avec laquelle les ions lithium se déplacent pour conduire la charge électrique.

Les chercheurs émettent l’hypothèse que le mélange de nombreux types de métaux différents crée de nouvelles voies – un peu comme l’ajout d’autoroutes sur une autoroute encombrée – par lesquelles les ions lithium peuvent se déplacer rapidement à travers l’électrolyte. Sans ces voies, le mouvement des ions lithium serait lent et limité lorsqu'ils traversent l'électrolyte d'une extrémité à l'autre de la batterie, a expliqué Zeng.

Pour valider les candidats à la conception multimétallique, les chercheurs ont effectué des calculs théoriques avancés basés sur une méthode appelée théorie de la densité fonctionnelle sur des superordinateurs au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique (NERSC). En utilisant des microscopes électroniques à transmission et à balayage (STEM) au Fonderie moléculaire, les chercheurs ont confirmé que chaque électrolyte est constitué d’un seul type de matériau – ce que les scientifiques appellent une « phase unique » – avec des distorsions inhabituelles donnant naissance à de nouvelles voies de transport d’ions dans sa structure cristalline.

Cette découverte ouvre de nouvelles opportunités pour concevoir des conducteurs ioniques de nouvelle génération. La prochaine étape de cette recherche consiste à appliquer la nouvelle approche développée par Zeng avec Ceder au Berkeley Lab pour explorer et découvrir davantage de nouveaux matériaux électrolytiques solides qui peuvent améliorer encore davantage les performances de la batterie.

Ce travail représente l'une des nombreuses façons dont les experts du Centre de stockage d'énergie du laboratoire de Berkeley travaillent pour permettre la transition du pays vers un avenir énergétique propre, abordable et résilient.

L'année dernière, Ouyang a remporté un Prix ​​​​NERSC pour la réalisation du calcul haute performance pour « faire progresser la compréhension de l’ordre chimique à courte portée pour la conception d’une nouvelle génération de matériaux cathodiques commercialisés ». Le prix récompense les scientifiques en début de carrière qui ont apporté des contributions significatives au calcul scientifique en utilisant les ressources du NERSC.

Les autres scientifiques contribuant à ces travaux sont Young-Woon Byeon et Zijian Cai du Berkeley Lab, Jue Liu du Oak Ridge National Laboratory, ainsi que Lincoln Miara et Yan Wang du Samsung Advanced Institute of Technology.

La fonderie moléculaire et le NERSC sont des installations utilisatrices du DOE Office of Science au Berkeley Lab.

Cette recherche a été soutenue par le Bureau des technologies des véhicules du DOE.

Gracieuseté de Lawrence Berkeley National Laboratory.

Bureau des sciences du DOE est le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s'efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, veuillez visiter energy.gov/science.

Je n'aime pas les paywalls. Vous n'aimez pas les paywalls. Qui aime les paywalls ? Chez CleanTechnica, nous avons mis en place un paywall limité pendant un certain temps, mais cela s'est toujours senti mal - et il a toujours été difficile de décider ce que nous devrions y mettre. En théorie, votre contenu le plus exclusif et le meilleur passe derrière un paywall. Mais alors moins de gens le lisent ! Nous n'aimons tout simplement pas les paywalls, et nous avons donc décidé d'abandonner les nôtres. Malheureusement, le secteur des médias est encore une entreprise difficile et acharnée avec de minuscules marges. C'est un défi olympique sans fin de rester au-dessus de l'eau ou peut-être même... haleter - grandir. Donc …

• Contenu propulsé par le référencement et distribution de relations publiques. Soyez amplifié aujourd'hui.
• Platoblockchain. Intelligence métaverse Web3. Connaissance Amplifiée. Accéder ici.
• La source: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/