Prendre la tête : de nouvelles recherches ouvrent la voie à l’énergie

Technologie scientifique

Depuis les années 1940, les scientifiques étudient l’utilisation de l’oxyde de niobium, en particulier une forme d’oxyde de niobium connue sous le nom de T-Nb2O5, pour créer des batteries plus efficaces. Ce matériau unique est connu pour sa capacité à permettre aux ions lithium, les minuscules particules chargées qui font fonctionner les batteries, de s'y déplacer rapidement. Plus ces ions lithium peuvent se déplacer rapidement, plus une batterie peut être chargée rapidement.

Le défi, cependant, a toujours été de transformer ce matériau d’oxyde de niobium en couches minces et plates, ou « films », d’une qualité suffisamment élevée pour être utilisée dans des applications pratiques. Ce problème provient de la structure complexe du T-Nb2O5 et de l’existence de nombreuses formes similaires, ou polymorphes, d’oxyde de niobium.

Dans un article publié dans Nature Materials, des membres du groupe de recherche d'Andrew Rappe de l'Université de Pennsylvanie ont collaboré avec des chercheurs de l'Institut Max Planck et de l'Université de Cambridge et ont démontré avec succès la croissance de couches monocristallines de haute qualité de T-Nb2O5, alignés de manière à permettre aux ions lithium de se déplacer beaucoup plus rapidement.

« Ce changement radical ouvre la voie à une gamme d'applications potentielles, allant du chargement de batterie à grande vitesse à l'informatique économe en énergie et bien plus encore », explique Rappe.

"Nos modalités conventionnelles de stockage du lithium dans les cathodes reposent généralement sur un processus de recristallisation qui tend à interférer avec la structure, comme celui que nous observons dans les batteries d'aujourd'hui", explique le co-auteur Zhen Jiang, ancien chercheur postdoctoral au sein du groupe Rappe.

Aaron Schankler, étudiant diplômé à l'École des Arts et des Sciences, ajoute : « Ce que l'équipe de Max Planck et de l'Université de Cambridge a fait, c'est trouver un moyen de déplacer les ions lithium d'une manière qui ne perturbe pas la structure cristalline. de notre couche mince T-Nb2O5, et nous avons contribué à comprendre pourquoi les ions peuvent entrer et sortir rapidement et de manière réversible.

Rappe compare le T-Nb2O5 à une structure de parking à plusieurs niveaux dans laquelle les ions lithium sont des voitures et la structure du T-Nb2O5 forme des canaux ouverts, ou rampes, qui permettent aux voitures de monter et descendre entre les niveaux.

"En faisant croître le T-Nb2O5 de manière à ce que ces canaux s'étendent verticalement, ou "de haut en bas", notre équipe a permis aux ions lithium de se déplacer beaucoup plus rapidement, permettant ainsi des changements rapides et colossaux dans les propriétés électriques des films minces en insérant les ions lithium entre les atomes de la borne négative de notre système », explique le premier auteur Hyeon Han de l'Institut Max Planck.

Rappe note que les chercheurs de l'Université de Cambridge ont travaillé en étroite collaboration avec son équipe et ont découvert de multiples transitions jusqu'alors inconnues dans la structure du matériau à mesure que la concentration d'ions lithium changeait.

Ces transitions modifient les propriétés électroniques du matériau, lui permettant de passer du statut d’isolant à celui de métal, ce qui signifie qu’il passe du statut de blocage du courant électrique à celui de conducteur. Il s’agit d’un changement radical ; la résistivité du matériau diminue d'un facteur 100 milliards.

L'équipe de Penn a développé le travail informatique en théorisant les conditions nécessaires pour donner naissance à la stabilité des transitions via les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, une méthode de mécanique quantique utilisée pour étudier la structure électronique des systèmes à N corps, en particulier les atomes, les molécules et les phases condensées. Rappe dit qu'avec cette méthode, l'équipe pourrait calculer et prédire le comportement des matériaux dans différentes conditions.

Il affirme que les calculs théoriques ont aidé à rationaliser les transitions de phases multiples observées, ainsi que la façon dont ces phases pourraient être liées à la concentration des ions lithium et à leur disposition dans la structure cristalline. Cette compréhension a, à son tour, permis aux chercheurs de contrôler et de manipuler efficacement les propriétés électroniques des couches minces de T-Nb2O5.

« Les calculs de simulation atomistique présentent de grands avantages en faisant progresser les principes fondamentaux de la science dans le monde universitaire, mais également diverses technologies dans l'industrie », explique Arvin Kakekhani, ancien chercheur postdoctoral au sein du groupe Rappe. "Ce travail montre comment ces calculs peuvent compléter les expériences, en élucidant le rôle de la diffusion du lithium dans les propriétés électriques d'importantes batteries à semi-conducteurs et matériaux électroniques."