Au-delà du mécanisme à roue à aubes
Éclaircir les mécanismes microscopiques du transport des ions lithium dans les électrolytes à l'état solide destinés aux batteries de nouvelle génération
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Un groupe de recherche collaboratif international dirigé par le professeur Bong June Sung du département de chimie de l’université de Sogang et le professeur Shinji Saito de l’Institut des sciences moléculaires (IMS), Instituts nationaux des sciences naturelles (NINS) et de l’Université d’études supérieures avancées SOKENDAI a élucidé, au niveau moléculaire, comment les ions lithium se déplacent au sein des cristaux de plastique ionique organique (OIPC) – qui suscitent un vif intérêt en tant qu’électrolytes solides pour les batteries de nouvelle génération.
Dans les OIPC, bien que le matériau soit solide, les molécules et les ions au sein du cristal tournent activement in situ ; par conséquent, le « mécanisme de roue à aubes » – dans lequel ce mouvement de rotation propulse les ions lithium vers l’avant – a longtemps été considéré comme le principal mécanisme de conduction ionique. Dans cette étude, les chercheurs ont réexaminé théoriquement cette hypothèse à l’aide de simulations de dynamique moléculaire sur supercalculateur et d’une analyse par fonction de saut, qui permet d’extraire avec précision les sauts individuels des ions. Les résultats ont révélé que le mouvement des ions lithium n’est pas directement entraîné par le mouvement de rotation environnant, mais qu’il résulte plutôt du réarrangement coopératif d’une cage ionique formée par les anions environnants. Nous avons notamment démontré théoriquement que lorsque le nombre d’anions entourant un ion lithium diminue temporairement – provoquant ainsi l’« ouverture » de la cage –, le mouvement de l’ion lithium augmente considérablement.
De nombreuses batteries lithium-ion, largement utilisées dans les smartphones et les véhicules électriques, emploient des électrolytes liquides. Cependant, les électrolytes liquides sont inflammables, et le risque d’incendie ou d’explosion reste une préoccupation majeure. Pour remédier à ce problème, des recherches sont en cours afin de développer des électrolytes solides hautement sûrs, qui constituent une solution prometteuse.
Parmi ceux-ci, les cristaux plastiques ioniques organiques (OIPC) retiennent l’attention en tant que « solides souples » — des matériaux qui, bien qu’étant solides, permettent à leurs molécules et ions internes de tourner activement in situ. Ce mouvement moléculaire pourrait faciliter la migration des ions au sein du solide, et les OIPC devraient permettre d’allier sécurité et conductivité ionique élevée.
Dans les batteries lithium-ion, la charge et la décharge se produisent lorsque les ions lithium se déplacent à travers l’électrolyte à l’intérieur de la batterie. Par conséquent, dans le développement d’électrolytes solides – y compris les OIPC –, il est crucial de comprendre comment et à quelle vitesse les ions lithium peuvent se déplacer au sein de l’électrolyte pour concevoir des matériaux de batterie de nouvelle génération à la fois performants et sûrs.
La conduction ionique dans les OIPC a principalement été expliquée par le « mécanisme de roue à aubes ». Dans ce mécanisme, on pense que le mouvement de rotation des grosses molécules et des ions environnants agit comme les pales d’une roue à aubes, poussant les ions lithium vers leur position suivante. Cependant, on ne comprenait pas encore pleinement quand, où et comment les ions lithium individuels se déplacent réellement.
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