Les structures cristallines flexibles ouvrent la voie à un avenir énergétique solide

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 intéressants pour les électrolytes de batteries à l'état solide et les convertisseurs d'énergie thermoélectrique.

Ces découvertes, ainsi que l'approche d'apprentissage automatique utilisée pour les réaliser, pourraient contribuer à l'avènement d'une nouvelle ère de stockage de l'énergie pour des applications telles que les batteries domestiques et les véhicules électriques à charge rapide.

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

"Il s'agit d'une énigme qui n'a jamais été résolue auparavant en raison de la taille et de la complexité de chaque élément constitutif du matériau", a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé d'ingénierie mécanique et de science des matériaux à Duke. "Nous avons découvert les mécanismes au niveau atomique qui font de cette classe de matériaux un sujet brûlant dans le domaine de l'innovation en matière de batteries à l'état solide.

Alors que le monde se dirige vers un avenir fondé sur les énergies renouvelables, les chercheurs doivent mettre au point de nouvelles technologies pour stocker et distribuer l'énergie aux foyers et aux véhicules électriques. Jusqu'à présent, la batterie lithium-ion contenant des électrolytes liquides a fait figure de référence, mais elle est loin d'être une solution idéale en raison de son efficacité relativement faible et de l'affinité de l'électrolyte liquide pour les incendies et les explosions occasionnels.

Ces limitations sont principalement dues aux électrolytes liquides chimiquement réactifs contenus dans les batteries Li-ion, qui permettent aux ions lithium de se déplacer relativement librement entre les électrodes. Bien qu'ils soient parfaits pour déplacer des charges électriques, les composants liquides les rendent sensibles aux températures élevées qui peuvent entraîner une dégradation et, à terme, une catastrophe thermique.

De nombreux laboratoires de recherche publics et privés consacrent beaucoup de temps et d'argent à la mise au point de batteries alternatives à l'état solide à partir de divers matériaux. Si elle est correctement conçue, cette approche offre un dispositif beaucoup plus sûr et plus stable avec une densité d'énergie plus élevée - du moins en théorie.

Si personne n'a encore découvert une approche commercialement viable des piles à l'état solide, l'un des principaux candidats repose sur une classe de composés appelés argyrodites, du nom d'un minéral contenant de l'argent. Ces composés sont construits à partir de structures cristallines spécifiques et stables, composées de deux éléments et d'un troisième libre de se déplacer dans la structure chimique. Si certaines recettes telles que l'argent, le germanium et le soufre existent à l'état naturel, le cadre général est suffisamment souple pour permettre aux chercheurs de créer un large éventail de combinaisons.

"Tous les fabricants de véhicules électriques essaient de passer à de nouvelles conceptions de batteries à l'état solide, mais aucun d'entre eux ne divulgue les compositions sur lesquelles il mise", a déclaré M. Delaire. "Gagner cette course changerait la donne, car les voitures pourraient se recharger plus rapidement, durer plus longtemps et être plus sûres à la fois.

Dans ce nouvel article, M. 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 à l'intérieur d'échantillons d'_Ag8SnSe6 pour révéler son comportement moléculaire en temps réel. Mayanak Gupta, membre de l'équipe, ancien post-doctorant dans le laboratoire de M. Delaire et aujourd'hui chercheur au Bhabha Atomic Research Center en Inde, a également développé une approche d'apprentissage automatique pour interpréter les données et a créé un modèle de calcul correspondant aux observations à l'aide de simulations de mécanique quantique de premier principe.

Les résultats ont montré que si les atomes d'étain et de sélénium créaient un échafaudage relativement stable, celui-ci 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 dans le matériau. Selon M. Delaire, le système est comme si les réseaux d'étain et de sélénium restaient solides alors que l'argent se trouve dans un état presque liquide.

"C'est un peu comme si les atomes d'argent étaient des billes qui s'agitent au fond d'un puits très peu profond, se déplaçant comme si l'échafaudage cristallin n'était pas solide", a déclaré M. 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 et l'apprentissage automatique, devraient aider les chercheurs à progresser plus rapidement vers le remplacement des batteries au lithium-ion dans de nombreuses applications cruciales. Selon M. Delaire, cette étude fait partie d'une série de projets visant à étudier une variété de composés argyrodites prometteurs comprenant différentes recettes. Une combinaison qui remplace l'argent par du lithium intéresse particulièrement le groupe, étant donné son potentiel pour les batteries de véhicules électriques.

"Beaucoup de ces matériaux offrent une conduction très rapide pour les batteries tout en étant de bons isolants thermiques pour les convertisseurs thermoélectriques, c'est pourquoi nous étudions systématiquement toute la famille de composés", a déclaré M. Delaire. "Cette étude sert de référence à notre approche d'apprentissage automatique qui a permis de réaliser des progrès considérables dans notre capacité à simuler ces matériaux en l'espace de quelques années seulement. Je pense que cela nous permettra de simuler rapidement de nouveaux composés virtuellement afin de trouver les meilleures recettes que ces composés ont à offrir".