Une étude explorant la persistance de la conduction ionique par l’optique non linéaire révèle que les ions présentent une « mémoire » lorsqu’ils se déplacent à travers des électrolytes solides.
L’innovation dans la technologie des batteries est essentielle pour répondre à la demande croissante de stockage d’énergie dans plusieurs secteurs, tels que les systèmes de stockage et les véhicules électriques. Cependant, des innovations significatives nécessitent une plongée dans les batteries au niveau atomique de fonctionnement.
Récemment, des scientifiques d’Oxford, de Stanford et de l’Université de Newcastle ont mené des expériences au laser pour exciter les ions de batterie afin d’explorer leur comportement de rétention de mémoire. Cet article aborde les défis rencontrés dans l’amélioration de la technologie des batteries et la façon dont le développement actuel répond à ces défis.
Les chercheurs ont construit un laser pour étudier le comportement des ions de batterie. Image utilisée avec l’aimable autorisation de l’Université d’Oxford (par Andrey D. Poletayev)
Plongée dans la batterie
Les ions de lithium sont essentiels pour les réactions électrochimiques dans une batterie lithium-ion. Ils se déplacent entre l’anode et la cathode via l’électrolyte.
Au cœur de chaque batterie se trouve un univers d’interactions atomiques, guidant le flux d’énergie alimentant le monde moderne. À l’intérieur de la batterie, le transport ionique implique le transport macroscopique des ions et leur migration microscopique, influencés par des forces de gradient telles que la concentration, le potentiel chimique et le champ électrique. Malgré cela, les méthodologies d’innovation actuelles dans la technologie des batteries reposent souvent sur des observations macroscopiques, offrant des aperçus limités des processus sous-jacents à l’échelle atomique.
La structure interne d’une batterie lithium-ion. Image avec l’aimable autorisation de Argonne National Laboratory
Cette lacune entrave les avancées dans la technologie des batteries, car elle entrave le contrôle précis du transport et du comportement des ions. Le véritable défi de l’innovation dans la technologie des batteries est étroitement lié à la compréhension du transport ionique au niveau atomique. Les chercheurs peuvent discerner les facteurs influençant la diffusion des ions, leur migration et les réactions électrochimiques en examinant les interactions à l’échelle atomique. Sans explorer les mécanismes nuancés régissant le mouvement des ions au sein des batteries, l’optimisation de leurs performances, de leur efficacité et de leur sécurité reste insaisissable.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs doivent approfondir les dynamiques au niveau atomique du transport ionique. En mettant en lumière les interactions entre les ions et les composants de la batterie à l’échelle atomique, les scientifiques peuvent identifier de nouveaux matériaux et des principes de conception pour améliorer les performances des batteries.
Plongée plus profonde dans la batterie
Dans le cadre d’une collaboration, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory, d’Oxford, de Stanford et de l’Université de Newcastle ont observé un comportement étrange lorsqu’ils ont énergisé les ions bondissants d’une batterie. Les chercheurs ont ensuite réalisé des expériences démontrant comment les ions dans les électrolytes solides conservent la mémoire de leurs positions précédentes.
Les batteries à état solide, essentielles pour le stockage d’énergie dans diverses applications, reposent sur le déplacement des ions entre les électrodes à travers l’électrolyte. Bien que cela semble être un flux régulier, les ions se déplacent de manière erratique dans le réseau atomique, ce qui rend leur prédiction et leur détection difficiles. Grâce à des expériences au laser innovantes, les chercheurs ont observé que les ions inversent brièvement leur direction lorsqu’ils reçoivent une impulsion de tension, indiquant une mémoire des positions antérieures. Cette « mémoire floue » dure quelques milliardièmes de seconde, mais elle a des implications significatives. Cette découverte permet de prédire le comportement des ions et de concevoir des matériaux pour améliorer les performances des batteries.
Les transitoires du domaine temporel pendant le saut. Image avec l’aimable autorisation de Poletayev et al.
L’étude a utilisé des techniques optiques non linéaires pour l’expérimentation. Les chercheurs ont utilisé des cristaux minces et transparents de bêta-alumine, un matériau électrolyte à haute conductivité comportant de petits canaux facilitant un transport rapide des ions. Les cristaux sont une alternative plus sûre aux électrolytes liquides. En ajustant l’intervalle entre l’impulsion laser et la mesure, les chercheurs ont évalué avec précision les modifications de la vitesse et de la trajectoire préférée des ions dans des intervalles de temps infimes après l’impact du laser.
Les modèles actuels supposent que les ions se déplacent selon un modèle de marche aléatoire, similaire à celui d’une personne ivre titubante. Cependant, les observations à l’échelle atomique contredisent cette notion, mettant en évidence la complexité des mécanismes de transport des ions. De plus, comprendre le comportement ionique au niveau atomique est essentiel pour faire progresser la technologie des batteries vers un avenir plus durable.
Un bond quantique dans la technologie des batteries
En dévoilant les mystères au niveau atomique, les chercheurs ouvrent la voie à des applications transformatrices, offrant une efficacité énergétique, une durabilité et une sécurité accrues. Cette recherche ouvre une nouvelle voie pour de futures percées dans le stockage d’énergie et des solutions durables pour alimenter notre monde de plus en plus électrifié.