Une étude menée conjointement par Brandon Wood, du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), et Mirjana Dimitrievska, du National Institute of Standards and Technology (NIST), a permis de découvrir pourquoi le fait de remplacer, dans un matériau clé d’électrolyte de batterie, un atome de carbone par un atome de bore fait en sorte que les ions de lithium se déplacent encore plus vite. L’étude s’est concentrée sur un matériau au sein d’une nouvelle classe de matériaux, les closoborates.
Au dire de Brandon Wood, les closoborates sont électrochimiquement stables et peuvent être facilement traités, ce qui offre des avantages significatifs. Bien qu’il y ait encore des obstacles à la commercialisation – dont la stabilité thermique, la résistance mécanique et la cyclabilité sont – cette nouvelle classe de matériaux s’avère être une solution de remplacement intéressante pour les électrolytes solides actuels.
Pour comprendre comment et pourquoi cela se produit nécessite une modélisation en profondeur des mécanismes de transport des ions lithium à travers la matrice solide, ainsi qu'une caractérisation expérimentale détaillée pour accompagner et valider les modèles. Pour cela, les chercheurs ont utilisé une technique de modélisation mécanique quantique avancée – la dynamique moléculaire ab initio – et l’ont combinée à la technique expérimentale, la diffusion neutronique quasi élastique.
Le matériau d'électrolyte est un sel constitué de cations lithium positivement chargés et d'anions closoborates chargés négativement. La recherche a montré que les anions closoborates se réorientent rapidement, tournant dans la matrice solide lorsqu'ils de déplacent dans des directions spécifiques. L'addition de carbone à l'anion closoborate crée ce qu'on appelle un dipôle, qui repousse le lithium dans le voisinage local de l'atome de carbone. Lorsque l'anion tourne, l'atome de carbone fait face à des directions différentes, forçant chaque fois le lithium à s'éloigner vers un site proche dans la matrice solide. Parce que le sel est plein d'anions en rotation, il en résulte un mouvement très rapide du lithium.
« Maintenant que nous comprenons les bénéfices qui découlent de l’utilisation des closoborates, nous pouvons réfléchir à la façon d'introduire des effets similaires par modification chimique de l'anion lui-même, a déclaré Brandon Wood. Nous pouvons également réfléchir à la manière dont la structure et la chimie sont liées, ce qui peut donner des indices sur la façon dont les modifications structurelles du matériau pourraient générer d'autres améliorations ».
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