Une équipe de recherche coréano-japonaise révèle le mécanisme de mouvement des ions lithium dans les électrolytes solides

fr.wedoany.com Rapport : Une équipe de recherche internationale, dirigée par le professeur Bong June Sung du département de chimie de l’Université Sogang en Corée du Sud et le professeur Shinji Saito de l’Institut des sciences moléculaires (IMS) de l’Institut national des sciences naturelles (NINS) et de l’Université des études avancées (SOKENDAI) au Japon, a élucidé au niveau moléculaire le mécanisme de mouvement des ions lithium dans les cristaux plastiques ioniques organiques (OIPC), des matériaux considérés comme des électrolytes solides pour les batteries de nouvelle génération.

Dans les OIPC, bien que le matériau soit à l’état solide, les molécules et les ions à l’intérieur tournent continuellement sur place. Auparavant, la communauté scientifique pensait généralement que le « mécanisme de la roue à aubes » — selon lequel ce mouvement de rotation propulserait les ions lithium vers l’avant, comme les aubes d’une roue hydraulique — dominait la conduction ionique. Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé des superordinateurs pour effectuer des simulations de dynamique moléculaire, combinées à une analyse de fonction de saut capable de capturer précisément les sauts ioniques individuels, afin de réévaluer théoriquement cette hypothèse. Les résultats montrent que le mouvement des ions lithium n’est pas directement entraîné par la rotation des molécules environnantes, mais résulte d’un réarrangement coopératif des cages ioniques formées par les anions environnants. L’équipe a confirmé théoriquement que lorsque le nombre d’anions entourant un ion lithium diminue temporairement, c’est-à-dire lorsque la cage ionique « s’ouvre », le mouvement de l’ion lithium est considérablement renforcé.

Actuellement, les batteries lithium-ion largement utilisées dans les smartphones et les véhicules électriques emploient principalement des électrolytes liquides. Cependant, les électrolytes liquides sont inflammables, présentant un risque d’incendie ou d’explosion. Pour résoudre ce problème de sécurité, des électrolytes solides à haute sécurité sont étudiés comme alternative prometteuse.

Parmi ces matériaux alternatifs, les cristaux plastiques ioniques organiques (OIPC) ont attiré l’attention en tant que « solides mous ». Bien qu’ils soient à l’état solide, les molécules et les ions à l’intérieur peuvent tourner activement sur place, et ce mouvement moléculaire a le potentiel de favoriser la migration ionique dans le solide. Ainsi, les OIPC sont considérés comme des matériaux électrolytiques susceptibles d’allier haute sécurité et haute conductivité ionique.

Dans les batteries lithium-ion, le processus de charge et de décharge dépend du mouvement des ions lithium à l’intérieur de l’électrolyte. Par conséquent, lors du développement d’électrolytes solides, y compris les OIPC, il est essentiel de comprendre comment et à quelle vitesse les ions lithium se déplacent pour développer des matériaux de batterie de nouvelle génération, performants et sûrs.

Jusqu’à présent, l’explication principale de la conduction ionique dans les OIPC était le « mécanisme de la roue à aubes ». Cette théorie postule que le mouvement de rotation des grosses molécules et des ions environnants pousse les ions lithium vers la position suivante, comme les aubes d’une roue hydraulique. Cependant, le moment, le lieu et la manière exacts dont un ion lithium individuel se déplace n’avaient pas été entièrement clarifiés auparavant.