Un nouveau modèle pour concevoir des batteries hautes performances

Une équipe de scientifiques du laboratoire nationwide d’Argonne du ministère américain de l’Énergie a découvert un comportement coopératif intéressant qui se produit entre des mélanges complexes de composants présents dans les électrolytes des batteries. Les électrolytes sont des elements qui déplacent des particules porteuses de price, appelées ions, entre les électrodes d’une batterie, convertissant ainsi l’énergie chimique stockée en électricité.

L’équipe a découvert que los angeles combinaison de deux sorts différents d’anions (ions chargés négativement) avec des cations (ions chargés positivement) peut améliorer considérablement les performances globales de los angeles batterie. Cela suggère qu’une sélection minutieuse de mélanges ioniques peut permettre aux développeurs de batteries de concevoir avec précision leurs appareils afin de produire les caractéristiques de efficiency souhaitées.

L’étude s’est concentrée sur un sort 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 packages importantes telles que les véhicules électriques de tourisme et le stockage d’énergie renouvelable sur réseau. De nombreux chercheurs considèrent les batteries multivalentes comme une choice potentielle.

Ces applied sciences potentiellement révolutionnaires utilisent des cations tels que le zinc, le magnésium et le calcium qui ont une price de +2 contre +1 pour les ions lithium. En transportant plus de price, les batteries polyvalentes peuvent stocker et libérer plus d’énergie. Cela en fait un candidat attrayant pour remplacer les applied sciences de batteries lithium-ion existantes dans les véhicules électriques. Ils sont également conçus pour le stockage en réseau.

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

S’efforcer de développer des batteries multivalentes

Améliorer los angeles manière dont l’électrolyte transporte les ions entre les électrodes de los angeles batterie est essentiel pour obtenir de bonnes performances et une longue durée de vie. Ce processus de va-et-vient provoque le dépôt et le retrait des atomes métalliques sur los angeles floor de l’anode de los angeles batterie (électrode négative). Une batterie haute efficiency et longue durée doit être succesful de déposer et de décaper de manière réversible une couche uniforme de métal pendant des milliers de cycles.

Aujourd’hui, los angeles plupart des batteries multivalentes 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 décomposer. En conséquence, les électrolytes sont incapables de transporter efficacement les cations, ce qui réduit los angeles capacité de los angeles batterie à générer et à stocker de l’électricité.

Les chercheurs doivent connaître les reasons du déclin et de l’inefficacité. Cela nécessite une compréhension beaucoup plus approfondie de los angeles 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 qui conduisent à l’instabilité et à 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 réactions qui se produisent — et les buildings qui se forment — lorsque des cations zinc sont combinés avec deux sorts différents d’anions dans un électrolyte. Ils voulaient également savoir remark ces interactions pourraient affecter des sides clés des performances de los angeles batterie, tels que le dépôt de métal et le décapage des anodes.

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

Les chercheurs ont étudié les interactions et les buildings entre ces ions à l’aide de trois tactics complémentaires :

• Spectroscopie d’absorption des rayons X : réalisée à l’Complex Photon Supply d’Argonne, une set up utilisateur du DOE Place of job of Science, cette method comprenait le criblage de l’électrolyte à l’aide de faisceaux de rayons X synchrotron et d’absorptiométrie de rayons X.
• Spectroscopie Raman : réalisée au laboratoire de découverte électrochimique d’Argonne, cette method illumine l’électrolyte avec une lumière laser et évalue los angeles lumière diffusée.
• Théorie fonctionnelle de los angeles densité : Réalisée au Laboratoire Centre de Ressources Informatiques d’Argonne, c’est un sort de modélisation qui simule et calcule les buildings formées par les interactions entre ions dans un électrolyte.

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

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

“Los angeles spectroscopie d’absorption des rayons X discover los angeles manière dont les atomes sont disposés dans les matériaux à très petite échelle. Los angeles spectroscopie Raman caractérise les vibrations des ions, des atomes et des molécules. Nous pouvons utiliser des données sur los angeles disposition des atomes et les vibrations pour déterminer si les ions sont séparés ou en mouvement. ensemble » en paires ou en groupes. Los angeles théorie fonctionnelle de los angeles densité peut prendre en price ces propriétés grâce à des calculs puissants. »

L’équipe a découvert que los angeles présence de chlorure induisait l’affiliation des anions TFSI avec les cations zinc. Ce résultat est necessary automobile le couplage des anions au cation peut affecter los angeles vitesse à laquelle le cation peut précipiter sous forme de métal sur l’anode pendant los angeles price ou être ensuite ramené à l’électrolyte pendant los angeles décharge. Des réactions d’électrode plus rapides qui nécessitent moins d’énergie permettent de convertir plus efficacement l’énergie chimique en électricité.

L’équipe a répété ces expériences avec deux autres mélanges ioniques. Dans un mélange, des ions bromure ont été utilisés à los angeles position du chlorure, et dans l’autre mélange, des ions iodure ont été utilisés à los angeles position du chlorure. Comme le chlorure, le bromure et l’iodure sont fortement attirés par les cations zinc, mais 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’affiliation des anions TFSI avec les cations zinc.

“Ce qui est particulièrement intéressant dans cette découverte, c’est que nous ne nous attendions pas à voir ce que nous avons vu”, a déclaré Connell. “L’idée selon laquelle nous pourrions utiliser un anion pour attirer un autre anion plus près du cation était très surprenante.”

Avec les trois groupes d’ions, les chercheurs ont mesuré l’activité électrochimique à l’interface entre l’électrolyte et l’anode. L’activité électrochimique consiste à convertir l’énergie chimique en électricité. Le bromure et l’iodure étaient plus actifs que le chlorure automobile ils transportaient moins fortement les cations zinc. En d’autres termes, il faut moins d’énergie pour ajouter des électrons aux cations, retirant le zinc métallique de los angeles resolution et le déposant sur l’électrode certain. Concrètement, cela peut permettre à los angeles batterie zinc-ion de se charger et de se décharger plus rapidement.

Coopération entre les ions

Un facet fascinant des conclusions de l’étude est los angeles coopération qui s’est produite entre différents sorts d’ions dans l’électrolyte. Les chercheurs d’Argonne pensent que los angeles présence d’anions faiblement attractifs réduit los angeles quantité d’énergie nécessaire pour extraire le zinc métallique de los angeles resolution. Dans le même temps, los angeles présence d’anions très attractifs réduisait los angeles quantité d’énergie nécessaire pour remettre le zinc en resolution. Dans l’ensemble, moins d’énergie était nécessaire pour faire avancer ce processus et permettre un flux continu d’électrons (courant électrique).

Los angeles découverte de ce comportement indique une nouvelle approche passionnante dans los angeles conception d’électrolytes pour batteries avancées.

“Nos observations mettent en évidence l’intérêt d’explorer l’utilisation de différents mélanges anioniques dans les batteries pour régler et personnaliser leurs interactions avec les cations”, a déclaré Connell. “En contrôlant plus précisément ces interactions, les développeurs de batteries peuvent améliorer le delivery des cations, augmenter los angeles stabilité et l’activité des électrodes et permettre une manufacturing et un stockage d’électricité plus rapides et plus efficaces.”

“En fin de compte, nous voulons apprendre à choisir les combinaisons idéales d’ions pour maximiser les performances de los angeles batterie”, a ajouté Connell.

Comme prochaine étape de recherche, Connell a déclaré qu’il serait utile d’étudier remark d’autres cations multivalents tels que le magnésium et le calcium interagissent avec différents mélanges d’anions.

Une autre nouvelle ligne de recherche à Argonne consiste à utiliser l’apprentissage automatique pour calculer rapidement les réactions, les buildings et l’activité électrochimique qui se produisent avec de nombreuses combinaisons d’ions différentes. L’objectif sera d’accélérer los angeles 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 fundamental de l’étude. “Il y a trop de combinaisons possibles d’ions à considérer, et pas assez de puissance humaine pour les synthétiser et mesurer les réactions qui en résultent.”

“Si une étude d’apprentissage automatique read about 1 000 groupes d’ions différents et trouve cinq groupes prometteurs, un scientifique expérimental peut examiner ces cinq groupes de plus près en laboratoire”, a déclaré Li Zheng, chimiste de l’équipe et membre de l’équipe. membres. Auteurs de l’étude.

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

Cette recherche a été publiée dans Chimie. Les autres auteurs de l’étude sont Sydney Laffan, Milena Zorko, Paul Redfern, Stefan Illich, Garvit Agarwal, Timothy Pfister, Rajeev S. Asare et Dusan Stremnik.