Une équipe de la Florida State University et du Lawrence Berkeley National Laboratory a développé une nouvelle stratégie pour construire des batteries à semi-conducteurs qui dépendent moins d’éléments chimiques spécifiques, en particulier des métaux coûteux avec des problèmes de chaîne d’approvisionnement.
Leurs travaux ont été publiés dans la revue Science.
Bin Ouyang, professeur agrégé au Département de chimie et de biochimie, a d’abord développé l’idée de ce travail alors qu’il terminait ses recherches postdoctorales à l’Université de Californie à Berkeley, avec son co-premier auteur Yan Zeng et leur conseiller postdoctoral Gerbrand Ceder . Dans leur étude, ils ont démontré qu’un mélange de diverses molécules à l’état solide pouvait donner une batterie plus conductrice moins dépendante d’une grande quantité d’un élément individuel.
« Il n’y a pas d’élément de héros ici », a déclaré Ouyang. « C’est un collectif d’éléments divers qui font que les choses fonctionnent. Ce que nous avons découvert, c’est que nous pouvons obtenir ce matériau hautement conducteur tant que différents éléments peuvent s’assembler de manière à ce que les atomes puissent se déplacer rapidement. Et il existe de nombreuses situations qui peuvent conduire à ces soi-disant autoroutes de diffusion atomique, quels que soient les éléments qu’elles peuvent contenir. »
Les batteries à semi-conducteurs fonctionnent presque de la même manière que les autres batteries : elles stockent l’énergie et la libèrent ensuite pour alimenter les appareils. Mais plutôt que des électrolytes liquides ou en gel polymère que l’on trouve dans les batteries lithium-ion, elles utilisent des électrodes solides et un électrolyte solide. Cela signifie qu’une densité d’énergie plus élevée peut se produire dans la batterie car le lithium métallique peut être utilisé comme anode. De plus, ils présentent un risque d’incendie moindre et augmentent potentiellement le kilométrage des véhicules électriques.
Cependant, bon nombre des batteries construites jusqu’à présent sont basées sur des métaux critiques qui ne sont pas disponibles en grande quantité. Certains ne se trouvent pas du tout aux États-Unis. Étant donné que les États-Unis et de nombreux autres pays prévoient de remplacer tous les véhicules par des véhicules électriques d’ici 2050, la chaîne d’approvisionnement en métaux critiques est soumise à une pression énorme.
L’équipe de recherche a envisagé la voie simple consistant à utiliser un élément pour remplacer ceux couramment utilisés, mais cette approche a soulevé ses propres problèmes de chaîne d’approvisionnement. Au lieu de cela, l’équipe a abordé le problème en concevant des matériaux qui n’étaient pas redevables à un élément spécifique. Par exemple, au lieu de créer une batterie à base de germanium, qui apparaît rarement naturellement à des concentrations élevées, l’équipe a créé un mélange de titane, de zirconium, d’étain et d’hafnium.
« Avec une telle fonctionnalité, nous devons assembler ces éléments de manière à avoir de nombreuses » bonnes « configurations locales qui peuvent former un réseau pour le transport rapide d’atomes ou d’énergie », a déclaré Ouyang. « Pensez-y comme une autoroute. Tant qu’il y a une autoroute connectée pour la diffusion des atomes, les atomes peuvent se déplacer rapidement. »
Cette étude a ouvert un nouveau domaine de recherche pour Ouyang et ses collègues alors qu’ils travaillent à la construction de batteries à semi-conducteurs plus efficaces.
Le gouvernement, la recherche et le milieu universitaire ont beaucoup investi dans le développement de batteries à semi-conducteurs, car les batteries contenant des liquides sont plus sujettes à la surchauffe, au feu et à la perte de charge. Des batteries à semi-conducteurs plus petites alimentent déjà des appareils tels que des montres intelligentes et des stimulateurs cardiaques. Pourtant, de nombreux fabricants pensent que des percées dans ce domaine pourraient signifier que les batteries à semi-conducteurs pourraient un jour aider les véhicules ou les avions électriques.
Plus d’information:
Yan Zeng et al, mécanisme à haute entropie pour stimuler la conductivité ionique, Science (2022). DOI : 10.1126/science.abq1346