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For a long time, battery scientists assumed that lithium ions drift through the liquid inside a cell largely alone. A team at Columbia University now reports that they often do not. In a study published in Nature, the researchers found that up to 40% of lithium ions in standard electrolytes group together into multi-ion clusters, and that clustering grows as salt concentration rises.
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.
The electrolyte is the liquid that carries lithium ions between a battery's electrodes. It also drives the formation of the solid electrolyte interphase, a thin protective film on the anode that shapes both how long a battery lasts and how safe it is. Until now, the atomic-level structure behind that film had been difficult to pin down. The study was co-led by Richard Friesner of Columbia's Department of Chemistry, with Alexander Urban, Lauren Marbella and Daniel Steingart of the School of Engineering and Applied Science. The simulations relied on machine learning force field technology provided by Schrödinger Inc., with support from the New York Structural Biology Center.
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.
The simulations showed lithium ions bunching up even without anions, the negatively charged ions that had been assumed to be needed for such groupings. Quantum chemical calculations indicate that these multi-lithium clusters are unusually easy to reduce, meaning they take up electrons readily. That makes them likely candidates for the intermediate steps that build the protective film, which the researchers describe as critical for longevity and safety.
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.
The simulations were only half of the work. Columbia's engineering school ran experiments, and the team reports that its machine learning simulations showed strong agreement with a wide range of experimental data on condensed-phase systems. Friesner stressed that confirming the predicted chemistry in the lab was extremely difficult. This is a laboratory result, and it has not yet been turned into a commercial electrolyte.
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.
For battery chemists designing next-generation electrolytes, the clusters offer a concrete target: a model of what happens at the atomic scale, which the authors say can guide work on performance, stability and charge rates. The team says the insights have the potential to produce higher-capacity, faster-charging and longer-lasting batteries, but it gives no timeline for when that could reach a product. Friesner also argues that the same blend of simulation and experiment could help with biology and materials science more broadly.
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.