Machine learning approach opens insights into an entire class of materials being pursued for solid-state batteries
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L'Approche d'apprentissage
automatique ouvre des perspectives sur toute une classe de matériaux recherchés pour les batteries à semi-conducteurs
par Ken Kingery, Duke University
Une illustration de la structure atomique hybride cristalline-liquide dans la phase superionique de Ag8SnSe6 - un matériau très prometteur pour permettre des batteries à semi-conducteurs commerciales. Les filaments en forme de tube montrent la distribution liquide des ions d'argent circulant à travers l'échafaudage cristallin d'atomes d'étain et de sélénium (bleu et orange). Crédit : Olivier Delaire, Duke University
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 attractifs 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.
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, éve nombreux laboratoires de recherche publics et privés dépensent beaucoup de temps et d'argent pour développer des batteries à semi-conducteurs alternatives à partir d'une variété de matériaux. Si elle est conçue correctement, cette approche offre un dispositif 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.
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.
"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."
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COMMENTAIRES
Pourquoi l jusqu à présent le Maiss batteries à semi-conducteurs ne conviennent as ?
Leur capacité utile diminue avec le temps, ils émettent beaucoup de chaleur, ce qui signifie qu'ils peuvent nécessiter des systèmes de refroidissement qui ajoutent encore plus de poids, et parce qu'ils contiennent de l'électrolyte liquide, ils ne sont pas stables et peuvent s'enflammer ou exploser. Les batteries à l'état solide remplacent l'électrolyte liquide ou en gel par une forme solide. Mais le développement de la voiture électrique actuel demande des solutions urgentes et si la recheche et l apprentissage automatique des bonnes recettes de chimie peuvent aider ,alors tant mieux !!!!
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More information: Qingyong Ren et al, Extreme phonon anharmonicity underpins superionic diffusion and ultralow thermal conductivity in argyrodite Ag8SnSe6, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01560-x
Journal information: Nature Materials
Provided by Duke University
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