Un paramètre crucial mais mal étudié qui dicte les performances de la batterie est la barrière de migration. Il détermine la vitesse à laquelle les ions se déplacent à travers une électrode à l’intérieur de la batterie, et finalement la vitesse à laquelle elle se charge ou se décharge. Parce qu’il est difficile de mesurer la barrière de migration en laboratoire, les chercheurs utilisent généralement différentes simulations ou approximations informatiques pour prédire rapidement les valeurs de barrière de migration. Cependant, très peu de ces simulations ont été vérifiées expérimentalement jusqu’à présent.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Indian Institute of Science (IISc) et leurs collaborateurs ont analysé de manière approfondie les techniques de calcul largement utilisées et vérifié leurs prédictions des valeurs de barrière de migration par rapport aux données réelles observées dans les mesures de laboratoire. Sur la base de leur analyse, l’équipe propose un ensemble de lignes directrices robustes pour aider les chercheurs à choisir le cadre de calcul le plus précis pour tester les matériaux qui peuvent être utilisés pour développer des batteries hautement efficaces à l’avenir.
Les batteries lithium-ion, qui alimentent les téléphones portables et les ordinateurs portables, se composent de trois composants principaux : une électrode négative solide (anode), une électrode positive solide (cathode) et un électrolyte liquide ou solide qui les sépare. Lors de la charge ou de la décharge, les ions lithium migrent à travers l’électrolyte, créant une différence de potentiel. « Les électrodes des batteries lithium-ion ne sont pas solides à 100 %. Considérez-les comme une éponge. Ils ont des «pores» à travers lesquels un ion lithium doit passer », explique Sai Gautam Gopalakrishnan, professeur adjoint au Département de génie des matériaux, IISc.
Un paramètre important qui détermine la vitesse à laquelle les ions lithium pénètrent dans ces pores est la barrière de migration – le seuil d’énergie que les ions doivent surmonter pour traverser l’électrode. “Plus la barrière de migration est faible, plus vous pouvez charger ou décharger la batterie rapidement”, explique Reshma Devi, titulaire d’un doctorat. étudiant au Département de Génie des Matériaux.
« La même valeur de barrière de migration est calculée par un groupe en utilisant une technique de calcul et un autre groupe en utilisant une autre technique. Les valeurs peuvent être équivalentes, mais nous ne pouvons pas le savoir avec certitude », explique Gopalakrishnan.
Deux approximations spécifiques, appelées fortement contraintes et approximativement normalisées (SCAN) et approximation de gradient généralisée (GGA), sont les méthodes les plus largement utilisées pour arriver par calcul à la barrière de migration, mais chacune a ses propres inconvénients. « Nous avons pris neuf matériaux différents », explique Reshma Devi. “Nous avons vérifié laquelle des approximations se rapprochait le plus des valeurs expérimentales pour chacune.”
L’équipe a constaté que la fonction SCAN avait globalement une meilleure précision numérique, mais que les calculs GGA étaient plus rapides. Le GGA s’est avéré avoir un niveau de précision raisonnable dans le calcul de la barrière de migration dans certains matériaux (tels que le phosphate de lithium), et pourrait être une meilleure option si une estimation rapide était nécessaire, suggèrent les chercheurs.
De telles informations peuvent être précieuses pour les scientifiques qui cherchent à tester de nouveaux matériaux pour leurs performances avant de les adapter aux applications liées aux batteries, explique Gopalakrishnan. « Supposons que vous ayez un matériau inconnu et que vous vouliez voir rapidement si ce matériau est utile dans votre application, vous pouvez utiliser des calculs pour le faire, à condition de savoir quelle approximation de calcul vous donne les valeurs les plus proches. C’est utile lorsqu’il s’agit de découvrir des matériaux.
L’équipe travaille également au développement d’outils d’apprentissage automatique qui peuvent aider à accélérer les prévisions des barrières à la migration pour une gamme variée de matériaux.
