Utilisation de méthodes quantiques pour prédire la réactivité des batteries lithium-métal de nouvelle génération

la batterie

Crédit : domaine public CC0

Les batteries lithium-métal (Li-métal) présentent un grand potentiel pour contenir des quantités d’énergie plus importantes que les batteries lithium-ion actuelles. Par exemple, une batterie électrique Li-métal dans une voiture pourrait parcourir plus de kilomètres, et une batterie de téléphone Li-métal pourrait avoir une durée de vie plus longue. Cependant, la surface métallique des batteries Li-métal est hautement réactive et la compréhension de la chimie de ces réactions est limitée.

Le Dr Perla Balbuena, professeur au département de génie chimique Artie McFerrin de la Texas A&M University, utilise des méthodes de chimie quantique pour suivre des réactions spécifiques qui se produisent sur les surfaces à l’intérieur des batteries Li-métal. Comprendre les réactions des batteries Li-métal et prévoir les produits améliorera la convivialité en diminuant leur réactivité.

Cette recherche a récemment été publiée dans le American Chemical Society’s Matériaux appliqués et interfaces ACS journal et a été co-écrit par l’étudiant diplômé Dacheng Kuai du Département de chimie de Texas A&M.

“Nous devons comprendre quel type de réactions se produisent, comment ralentir les réactions, quels sont les composants, quelle est la morphologie des produits en évolution et comment les ions et les électrons se déplacent à travers la surface”, a déclaré Balbuena. “La compréhension de ces problèmes critiques nous permettra de commercialiser des batteries Li-métal dans un avenir proche.”

Lorsque les batteries Li-métal sont fabriquées, un film mince se forme sur l’anode, communément appelé interphase à électrolyte solide (SEI). Ce film est composé de plusieurs composants et produit par décomposition électrolytique. La composition chimique du SEI est essentielle pour garantir des performances optimales de la batterie et prolonger sa durée de vie. Grâce à des efforts expérimentaux, des prédictions théoriques peuvent révéler les détails de ce phénomène aux niveaux atomistique et électronique.

Dans cette étude, les chercheurs ont ciblé un polymère qui se développe en raison de réactions électrolytiques sur les surfaces internes de la batterie. Identifier cette réaction polymère spécifique est difficile mais nécessaire pour optimiser le SEI. Les chercheurs ont simulé l’interface au niveau atomistique et résolu des équations chimiques quantiques précises pour cartographier une évolution temporelle de la réaction de formation du polymère.

“Ce qui différencie cette recherche est de partir de la description au niveau microscopique et de laisser le système évoluer en fonction de sa redistribution électronique lors de la réaction chimique”, a déclaré Balbuena. “Il existe de nombreuses techniques expérimentales qui peuvent suivre et surveiller les réactions, mais elles sont difficiles. Avec cette simulation, nous pouvons obtenir de nouvelles informations. Nous isolons la partie du système qui est responsable d’événements chimiques importants. Nous suivons ce groupe spécifique. de molécules et analyser les réactions se produisant spontanément à la surface des électrodes.”

Uniques à cette recherche, les outils informatiques utilisés peuvent déterminer les configurations d’énergie minimale et l’arrangement des molécules pendant la réaction, traçant ainsi la réaction du début à la fin.

Les chercheurs ont découvert que les espèces polymérisant dans le SEI pourraient être bénéfiques pour les batteries Li-métal car elles peuvent aider à contrôler le niveau de réactivité des matériaux de la batterie.

“Nous sommes ravis des résultats, car ils donnent un aperçu de ce qui pourrait se passer lors de l’utilisation de vraies électrodes”, a déclaré Balbuena.

Ces résultats illustrent l’utilisation d’outils informatiques qui peuvent contribuer à créer des batteries plus respectueuses de l’environnement, ayant une durée de vie plus longue et moins chères à produire. À mesure que de meilleures chimies évoluent, Balbuena espère que les méthodologies trouvées dans ses recherches seront utiles pour les années à venir.

“Cette recherche peut être une force motrice pour les batteries dans une direction plus verte et plus efficace”, a-t-elle déclaré. “Je sais que ce travail sera utile dans 10 ans car il y a 10 ans, nous avons fait nos premières contributions sur les batteries Li-ion et nos découvertes ont contribué au développement de la technologie à succès d’aujourd’hui. C’est un cycle d’amélioration continue.”


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Plus d’information:
Dacheng Kuai et al, Solvent Degradation and Polymerization in the Li-Metal Battery: Organic-Phase Formation in Solid-Electrolyte Interphases, Matériaux appliqués et interfaces ACS (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c20487

Fourni par l’Université Texas A&M

Citation: Utilisation de méthodes quantiques pour prédire la réactivité des batteries lithium-métal de nouvelle génération (2022, 22 mars) récupéré le 22 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-quantum-methods-next-gen-lithium-metal -batterie.html

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