Un nouveau modèle pour concevoir des batteries hautes performances

Une équipe de scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) a découvert un comportement coopératif intrigant qui se produit entre des mélanges complexes de composants dans les électrolytes des batteries. Les électrolytes sont des matériaux qui déplacent des particules porteuses de charge, appelées ions, entre les deux électrodes d’une batterie, convertissant ainsi l’énergie chimique stockée en électricité.

L’équipe a découvert que la combinaison de deux types différents d’anions (ions chargés négativement) avec des cations (ions chargés positivement) peut améliorer considérablement les performances globales de la batterie. Cela suggère qu’une sélection minutieuse des mélanges d’ions peut permettre aux développeurs de batteries d’adapter précisément leurs appareils pour produire les caractéristiques de performances souhaitées.

L’étude s’est concentrée sur un type de batterie de nouvelle génération appelée batterie multivalente. Les batteries lithium-ion d’aujourd’hui ont une capacité limitée à fournir les performances nécessaires dans des applications critiques telles que les véhicules électriques de tourisme et le stockage d’énergie renouvelable sur le réseau. De nombreux chercheurs considèrent les batteries multivalentes comme une alternative potentielle.

Ces technologies potentiellement révolutionnaires utilisent des cations tels que le zinc, le magnésium et le calcium qui ont une charge de +2 contre +1 pour les ions lithium. En déplaçant plus de charge, les batteries polyvalentes peuvent stocker et libérer plus d’énergie. Cela en fait des candidats intéressants pour remplacer les technologies de batteries lithium-ion existantes dans les véhicules électriques. Ils sont également envisagés pour le stockage en réseau.

Un autre avantage des batteries multivalentes est qu’elles utilisent des éléments abondants fournis par des chaînes d’approvisionnement nationales stables. En revanche, le lithium est moins abondant et sa chaîne d’approvisionnement internationale est coûteuse et volatile.

La quête pour faire progresser les batteries multivalentes

Optimiser la façon dont un électrolyte déplace les ions entre les électrodes de la batterie est crucial pour de bonnes performances et une longue durée de vie. Ce processus de va-et-vient entraîne le dépôt et le décapage d’atomes métalliques à la surface de l’anode (électrode négative) d’une batterie. Une batterie haute performance et longue durée doit être capable de déposer et de dépouiller de manière réversible une couche uniforme de métal pendant des milliers de cycles.

Aujourd’hui, la plupart des batteries polyvalentes étudiées par les chercheurs ne fonctionnent pas bien, ce qui limite leur viabilité commerciale. Les ions et les électrodes ont tendance à être instables et à se dégrader. En conséquence, les électrolytes sont incapables de transporter efficacement les cations, ce qui diminue la capacité de la batterie à produire et à stocker de l’électricité.

Les chercheurs doivent savoir quelles sont les causes de la dégradation et de l’inefficacité. Cela nécessite une compréhension beaucoup plus approfondie de la façon dont les cations interagissent avec d’autres ions, atomes et molécules dans l’électrolyte. L’acquisition de ces connaissances est particulièrement importante à mesure que les chercheurs explorent les électrolytes contenant des mélanges plus complexes de cations et d’anions.

“Nous pouvons concevoir de meilleurs électrolytes en comprenant mieux les mécanismes à l’origine de l’instabilité et de l’inefficacité”, a déclaré Justin Connell, spécialiste des matériaux au sein de l’équipe de recherche et l’un des auteurs de l’étude.

Interactions ioniques inattendues

L’un des principaux candidats pour une batterie multivalente est à base de zinc métallique. L’équipe d’Argonne a cherché à caractériser les interactions qui se produisent et les structures qui se forment lorsque les cations zinc sont combinés avec deux types différents d’anions dans l’électrolyte. Ils voulaient également savoir comment ces interactions peuvent avoir un impact sur des aspects clés des performances de la batterie, tels que le dépôt de métal et le dénudage au niveau de l’anode.

L’équipe a conçu un système de batterie à l’échelle du laboratoire composé d’un électrolyte et d’une anode de zinc. L’électrolyte contenait initialement des cations zinc et un anion, appelé TFSI, avec une très faible attraction sur les cations. Des anions chlorure ont ensuite été ajoutés à l’électrolyte. Par rapport au TFSI, le chlorure a une attirance beaucoup plus forte pour les cations zinc.

Les chercheurs ont sondé les interactions et les structures entre ces ions à l’aide de trois techniques complémentaires :

• Spectroscopie d’absorption des rayons X : réalisée à l’Advanced Photon Source d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, cette technique impliquait de sonder l’électrolyte avec des faisceaux de rayons X synchrotron et de mesurer l’absorption des rayons X.
• Spectroscopie Raman : réalisée au laboratoire de découverte électrochimique d’Argonne, cette technique illumine l’électrolyte avec une lumière laser et évalue la lumière diffusée.
• Théorie fonctionnelle de la densité : réalisée au Centre de ressources informatiques du laboratoire d’Argonne, il s’agit d’un type de modélisation qui simule et calcule les structures formées par les interactions entre les ions dans l’électrolyte.

L’équipe a sélectionné ces techniques parce qu’elles s’informent mutuellement et qu’elles peuvent, ensemble, fournir une validation plus solide des conclusions.

“Ces techniques caractérisent différents aspects des interactions et des structures ioniques”, a déclaré Mali Balasubramanian, physicien de l’équipe de recherche et l’un des auteurs de l’étude.

“La spectroscopie d’absorption des rayons X sonde la manière dont les atomes sont disposés dans les matériaux à très petite échelle. La spectroscopie Raman caractérise les vibrations des ions, des atomes et des molécules. Nous pouvons utiliser les données sur la disposition et les vibrations des atomes pour déterminer si les ions sont séparés ou se déplacent ensemble. ” par paires ou en groupes. La théorie fonctionnelle de la densité peut corroborer ces caractérisations grâce à un calcul puissant. ”

L’équipe a découvert que la présence de chlorure induisait l’association des anions TFSI avec les cations zinc. Ce résultat est important car l’appariement des anions avec un cation peut affecter la vitesse à laquelle le cation peut se déposer sous forme de métal sur l’anode pendant la charge ou ensuite être réintroduit dans l’électrolyte pendant la décharge. Des réactions d’électrode plus rapides nécessitant moins d’énergie permettent une conversion plus efficace de l’énergie chimique en électricité.

L’équipe a répété ces expériences avec deux autres mélanges d’ions. Dans un mélange, des ions bromure ont été utilisés à la place du chlorure, et dans l’autre, des ions iodure ont été utilisés à la place du chlorure. Comme le chlorure, le bromure et l’iodure attirent fortement les cations zinc, bien que moins fortement que le chlorure. Le résultat était similaire à ce qui s’est produit avec le chlorure : le bromure et l’iodure ont induit l’association des anions TFSI avec les cations zinc.

“Ce qui était particulièrement excitant dans ce résultat, c’est que nous ne nous attendions pas à voir ce que nous avons vu”, a déclaré Connell. “L’idée selon laquelle nous pouvons utiliser un anion pour rapprocher un deuxième anion d’un cation était très surprenante.”

Avec les trois combinaisons d’ions, les chercheurs ont mesuré l’activité électrochimique à l’interface entre l’électrolyte et l’anode. L’activité électrochimique implique la conversion de l’énergie chimique en électricité. Le bromure et l’iodure étaient plus actifs que le chlorure car ils retenaient moins fortement les cations zinc. En d’autres termes, il fallait moins d’énergie pour ajouter des électrons aux cations, extraire le zinc de la solution et le déposer sur l’anode. Concrètement, cela peut permettre à une batterie zinc-ion de se charger et de se décharger plus rapidement.

Coopération entre les ions

Un aspect fascinant des conclusions de l’étude est la coopération qui s’est produite entre différents types d’ions dans un électrolyte. Les chercheurs d’Argonne pensent que la présence d’anions faiblement attractifs réduisait la quantité d’énergie nécessaire pour extraire le zinc métallique de la solution. Pendant ce temps, la présence d’anions fortement attractifs réduisait la quantité d’énergie nécessaire pour remettre le zinc en solution. Dans l’ensemble, moins d’énergie était nécessaire pour piloter ce processus de va-et-vient et permettre un flux constant d’électrons (courant électrique).

La découverte de ce comportement ouvre la voie à une nouvelle approche passionnante dans la conception d’électrolytes pour batteries avancées.

“Nos observations mettent en évidence l’intérêt d’explorer l’utilisation de différents mélanges d’anions dans les batteries pour affiner et personnaliser leurs interactions avec les cations”, a déclaré Connell. “Avec un contrôle plus précis de ces interactions, les développeurs de batteries peuvent améliorer le transport des cations, augmenter la stabilité et l’activité des électrodes et permettre une production et un stockage d’électricité plus rapides et plus efficaces.

“En fin de compte, nous voulons apprendre à sélectionner les combinaisons optimales d’ions pour maximiser les performances de la batterie”, a ajouté Connell.

Comme prochaine étape de recherche, Connell a déclaré qu’il serait intéressant d’étudier comment d’autres cations multivalents comme le magnésium et le calcium interagissent avec divers mélanges d’anions.

Une autre nouvelle ligne de recherche à Argonne implique l’utilisation de l’apprentissage automatique pour calculer rapidement les interactions, les structures et l’activité électrochimique qui se produisent avec de nombreuses combinaisons d’ions différentes. L’objectif serait d’accélérer la sélection des combinaisons les plus prometteuses.

“Les chercheurs ne peuvent pas tout étudier dans le cadre d’expériences en laboratoire”, a déclaré Darren Driscoll, membre de l’équipe de recherche et auteur principal de l’étude. “Il y a trop de combinaisons possibles d’ions à considérer et pas assez de main-d’œuvre pour les synthétiser et mesurer les interactions qui en résultent.”

“Si une étude d’apprentissage automatique examinait 1 000 combinaisons différentes d’ions et trouvait cinq combinaisons prometteuses, un scientifique expérimental pourrait alors examiner ces cinq combinaisons de plus près en laboratoire”, a déclaré Lei Cheng, chimiste de l’équipe et l’un des les auteurs de l’étude.

La source de photons avancée fait l’objet d’une mise à niveau approfondie qui augmentera la luminosité de ses faisceaux de rayons X jusqu’à 500 fois. “La mise à niveau pourrait permettre des analyses plus avancées des comportements des électrolytes, tels que la façon dont les structures complexes d’anions-cations et le mouvement des ions changent au fil du temps”, a déclaré Balasubramanian.

Cette recherche est publiée dans Chimie. Les autres auteurs de l’étude sont Sydney Lavan, Milena Zorko, Paul Redfern, Stefan Ilic, Garvit Agarwal, Timothy Fister, Rajeev S. Assary et Dusan Strmcnik.