Les ions lithium s'agglomèrent dans les électrolytes des batteries

Pendant longtemps, les spécialistes des batteries ont supposé que les ions lithium se déplacent dans le liquide d'une cellule en grande partie seuls. Une équipe de l'université Columbia affirme aujourd'hui que ce n'est souvent pas le cas. Dans une étude publiée dans Nature, les chercheurs ont constaté que jusqu'à 40 % des ions lithium des électrolytes standard se regroupent en amas de plusieurs ions, et que ce regroupement augmente avec la concentration en sel.

L'électrolyte est le liquide qui transporte les ions lithium entre les électrodes d'une batterie. Il favorise aussi la formation de l'interphase solide d'électrolyte, un fin film protecteur sur l'anode qui détermine à la fois la durée de vie et la sécurité de la batterie. Jusqu'ici, la structure à l'échelle atomique à l'origine de ce film était difficile à cerner. L'étude a été codirigée par Richard Friesner, du département de chimie de Columbia, avec Alexander Urban, Lauren Marbella et Daniel Steingart, de l'école d'ingénierie et de sciences appliquées. Les simulations se sont appuyées sur une technologie de champs de force par apprentissage automatique fournie par Schrödinger Inc., avec le soutien du New York Structural Biology Center.

Les simulations ont montré que les ions lithium se regroupent même sans anions, ces ions chargés négativement que l'on pensait nécessaires à de tels regroupements. Des calculs de chimie quantique indiquent que ces amas de lithium sont particulièrement faciles à réduire, c'est-à-dire qu'ils captent volontiers des électrons. Ils sont donc de bons candidats pour les étapes intermédiaires qui construisent le film protecteur, que les chercheurs décrivent comme essentiel à la longévité et à la sécurité.

Les simulations n'ont représenté que la moitié du travail. L'école d'ingénierie de Columbia a mené des expériences, et l'équipe indique que ses simulations par apprentissage automatique concordent fortement avec un large éventail de données expérimentales sur les systèmes en phase condensée. Friesner souligne qu'il a été extrêmement difficile de confirmer en laboratoire la chimie prédite. Il s'agit d'un résultat de laboratoire, qui n'a pas encore abouti à un électrolyte commercial.

Pour les chimistes qui conçoivent les électrolytes de nouvelle génération, ces amas offrent une cible concrète : un modèle de ce qui se passe à l'échelle atomique, qui, selon les auteurs, peut orienter les travaux sur les performances, la stabilité et les vitesses de charge. L'équipe estime que ces résultats pourraient donner naissance à des batteries à plus grande capacité, à recharge plus rapide et à durée de vie plus longue, mais elle ne donne aucun calendrier quant à leur arrivée sur le marché. Friesner estime par ailleurs que la même alliance entre simulation et expérience pourrait servir la biologie et la science des matériaux, plus largement.