Concevoir de meilleurs électrolytes de batterie avec l’intelligence artificielle

La conception d’une batterie est un processus en trois parties. Vous avez besoin d’une électrode positive, vous avez besoin d’une électrode négative et, ce qui est important, vous avez besoin d’un électrolyte qui fonctionne avec les deux électrodes.

Un électrolyte est le composant de la batterie qui transfère les ions – les particules porteuses de charge – entre les deux électrodes de la batterie, provoquant la charge et la décharge de la batterie. Pour les batteries lithium-ion d’aujourd’hui, la chimie de l’électrolyte est relativement bien définie.

Pour les futures générations de batteries en cours de développement dans le monde et au département américain de l’énergie (BICHE) Argonne National Laboratory, cependant, la question de la conception de l’électrolyte est grande ouverte.

« Alors que nous sommes enfermés dans un concept particulier pour les électrolytes qui fonctionneront avec les batteries commerciales d’aujourd’hui, pour les batteries au-delà du lithium-ion, la conception et le développement de différents électrolytes seront cruciaux », a déclaré Shirley Meng, scientifique en chef au Argonne Collaborative Center for Energy. Science du stockage (ACCÉDER) et professeur de génie moléculaire à la École de génie moléculaire Pritzker de l’Université de Chicago.

​« Le développement d’électrolytes est l’une des clés des progrès que nous réaliserons pour faire de ces batteries moins chères, plus durables et plus puissantes une réalité, et franchir une étape majeure vers la poursuite de la décarbonisation de notre économie.

Dans un nouvel article publié dans Science, Meng et ses collègues ont exposé leur vision de la conception des électrolytes dans les futures générations de batteries.

Même des écarts relativement faibles par rapport aux batteries d’aujourd’hui nécessiteront de repenser la conception de l’électrolyte, selon Meng. Le passage d’un oxyde contenant du nickel à un matériau à base de soufre en tant que constituant principal de l’électrode positive d’une batterie lithium-ion pourrait apporter des avantages significatifs en termes de performances et réduire les coûts si les scientifiques peuvent trouver un moyen de rééquilibrer l’électrolyte, a-t-elle déclaré.

Pour d’autres chimies de batteries au-delà du lithium-ion, comme le sodium-ion rechargeable ou le lithium-oxygène, les scientifiques devront également accorder une attention considérable à la question de l’électrolyte.

L’un des principaux facteurs pris en compte par les scientifiques dans le développement de nouveaux électrolytes est la manière dont ils ont tendance à former une couche intermédiaire appelée interphase, qui exploite la réactivité des électrodes.​

« Les interphases sont d’une importance cruciale pour le fonctionnement d’une batterie car elles contrôlent la façon dont les ions sélectifs entrent et sortent des électrodes », a déclaré Meng.​« Les interphases fonctionnent comme une porte vers le reste de la batterie ; si votre portail ne fonctionne pas correctement, le transport sélectif ne fonctionne pas.

L’objectif à court terme, selon l’équipe, est de concevoir des électrolytes avec les bonnes propriétés chimiques et électrochimiques pour permettre la formation optimale d’interphases aux électrodes positives et négatives de la batterie.

En fin de compte, cependant, les chercheurs pensent qu’ils pourraient être en mesure de développer un groupe d’électrolytes solides qui seraient stables à des températures extrêmes (hautes et basses) et permettraient aux batteries à haute énergie d’avoir des durées de vie beaucoup plus longues.

« Un électrolyte à l’état solide pour une batterie entièrement solide va changer la donne », a déclaré Venkat Srinivasan, directeur de ACCÉDER, directeur adjoint du Joint Center for Energy Storage Research et co-auteur de l’article.​

« La clé d’une batterie à semi-conducteurs est une anode métallique, mais ses performances sont actuellement limitées par la formation de structures en forme d’aiguille appelées dendrites qui peuvent court-circuiter la batterie. En trouvant un électrolyte solide qui empêche ou inhibe la formation de dendrites, nous pourrons peut-être réaliser les avantages de certaines chimies de batterie vraiment passionnantes.

Afin d’accélérer leur chasse aux percées électrolytiques, les scientifiques se sont tournés vers la puissance de la caractérisation avancée et de l’intelligence artificielle (IA) pour rechercher numériquement parmi de nombreux autres candidats possibles, accélérant ce qui avait été un processus lent et laborieux de synthèse en laboratoire.

​« Le calcul haute performance et l’intelligence artificielle nous permettent d’identifier les meilleurs descripteurs et caractéristiques qui permettront la conception sur mesure de divers électrolytes pour des utilisations spécifiques », a déclaré Meng.​« Au lieu d’examiner quelques dizaines de possibilités d’électrolytes par an en laboratoire, nous en examinons plusieurs milliers à l’aide du calcul.

« Les électrolytes ont des milliards de combinaisons possibles de composants – sels, solvants et additifs – avec lesquels nous pouvons jouer », a déclaré Srinivasan.​« Pour faire de ce nombre quelque chose de plus gérable, nous commençons à vraiment utiliser le pouvoir de IAl’apprentissage automatique et les laboratoires automatisés.

Les laboratoires automatisés auxquels Srinivasan fait référence intégreront un régime expérimental piloté par robot. De cette façon, les machines peuvent effectuer sans aide des expériences de plus en plus soigneusement raffinées et calibrées pour éventuellement déterminer quelle combinaison de composants formera l’électrolyte parfait.​

« La découverte automatisée peut augmenter considérablement la puissance de nos recherches, car les machines peuvent fonctionner 24 heures sur 24 et réduire le potentiel d’erreur humaine », a-t-il déclaré.

Meng, Srinivasan et le scientifique du Laboratoire de recherche de l’armée Kang Xu discutent du défi des électrolytes dans un article intitulé« Concevoir de meilleurs électrolytes», paru dans Science le 8 décembre.

Source: ANL