Monde de la physique : l’IA rend les batteries lithium-ion plus sûres

Des smartphones aux voitures électriques, les batteries lithium-ion se retrouvent dans d’innombrables appareils techniques. Dans celles-ci, les ions lithium chargés positivement migrent entre les deux électrodes – anode et cathode – et traversent ce qu’on appelle l’électrolyte. Aujourd’hui, les batteries contiennent presque exclusivement des électrolytes liquides car ils offrent une conductivité particulièrement élevée pour les ions lithium. Ceci est important pour charger et décharger les batteries rapidement et efficacement. Les électrolytes solides présentent certainement des avantages : ils pourraient réduire le risque d’incendie tout en permettant des densités d’énergie plus élevées avec une meilleure durabilité. Cependant, la mobilité des ions lithium dans les électrolytes solides est jusqu’à présent nettement inférieure à celle des électrolytes liquides. Les chercheurs en matériaux ont maintenant trouvé une solution. Soutenus par l’intelligence artificielle, ils ont développé un électrolyte solide à travers lequel les ions lithium pouvaient se déplacer étonnamment bien.

Dans les électrolytes solides, divers éléments tels que le lithium, le phosphore, le soufre ou l’iode forment un réseau cristallin plus ou moins complexe. La structure de ces réseaux détermine si les ions lithium se frayent facilement un chemin à travers le cristal ou s’ils sont entravés. L’équipe dirigée par Guopeng Han de l’Université de Liverpool a désormais rassemblé des connaissances sur les structures cristallines particulièrement conductrices et les a utilisées pour former un modèle d’IA. Au lieu de passer du temps à créer et à examiner des matériaux en laboratoire, le système peut évaluer les structures cristallines possibles et les mélanges de matériaux beaucoup plus rapidement que les humains et générer de nouvelles idées.

La structure proposée par l’IA réussit l’examen pratique

Le modèle d’IA a identifié une structure cristalline qui ouvrait de nombreuses voies différentes pour le voyage des ions lithium. Dans les simulations du cristal, les atomes des éléments lithium, silicium, soufre et iode s’agencent alternativement dans une structure en forme de cube et en forme de nid d’abeilles. Afin d’étudier le comportement réel du matériau, les chercheurs ont produit des cristaux spéciaux : dans un mélange précisément coordonné, ils ont chauffé différents matériaux de départ tels que le sulfure de silicium, le sulfure de lithium et l’iodure de lithium jusqu’à 450 degrés Celsius pendant quatre jours. Cela a abouti à une poudre cristalline de la composition souhaitée avec la formule chimique Li₇Et₂S₇JE.

Lors de premières expériences, les chercheurs ont testé les propriétés de cet électrolyte solide. En fait, il a montré une mobilité étonnamment élevée pour les ions lithium à température ambiante : à 0,01 Siemens par centimètre carré, cette valeur se situe dans la même plage que celle des électrolytes liquides actuels. Cette base permettra à l’avenir de développer des batteries lithium-ion durables et puissantes à électrolytes solides. Il est possible que d’autres matériaux électrolytiques puissent être découverts de la même manière, qui seraient non seulement plus sûrs, mais pourraient également offrir des densités d’énergie plus élevées que les batteries lithium-ion précédemment disponibles.