Construire de meilleures batteries avec des matériaux amorphes et l'apprentissage automatique
Les batteries lithium-ion alimentent la plupart des électroniques, mais elles ont une densité d'énergie limitée – ils ne peuvent stocker qu'une certaine quantité d'énergie par masse ou volume de la batterie.
« Afin de stocker encore plus d'énergie avec la même masse ou le même volume, vous devrez explorer des technologies de stockage d'énergie alternatives », explique Sai Gautam Gopalakrishnan, professeur adjoint au Département de génie des matériaux, IISC.
Gopalakrishnan et son équipe ont étudié comment augmenter le mouvement des ions dans les batteries en magnésium, qui peuvent avoir une densité d'énergie plus élevée.
Dans une nouvelle étude, en utilisant un modèle d'apprentissage automatique, ils montrent que l'utilisation de matériaux amorphes comme électrodes positives pour construire ces batteries peut augmenter considérablement leur taux de transfert d'énergie. Le document est publié dans la revue Petit.
Les batteries au lithium ou au magnésium contiennent une électrode positive (cathode) et une électrode négative (anode), séparée par un électrolyte liquide. Chaque fois qu'un ion lithium ou magnésium va de la cathode à l'anode ou vice versa, l'énergie est échangée avec l'appareil.
« Dans les batteries de magnésium, chaque atome de magnésium peut en fait échanger deux électrons, tandis que chaque atome de lithium ne peut échanger qu'un électron avec le circuit externe. Ainsi, vous pouvez vous rapprocher de deux fois la quantité d'énergie par atome », explique Gopalakrishnan.
Les cathodes doivent agir comme une éponge – en appliquant un potentiel externe, ils devraient absorber et libérer des ions de magnésium dans l'électrolyte. Mais le principal goulot d'étranglement de la commercialisation des batteries de magnésium est le manque de bons matériaux qui peuvent agir comme des cathodes, dit Gopalakrishnan.
Jusqu'à présent, les scientifiques ont largement examiné les matériaux cristallins, qui ont une disposition périodiquement ordonnée des atomes. Cependant, parce que le magnésium se déplace très lentement dans ces matériaux, ils sont incapables d'absorber et de libérer les ions de magnésium à un rythme suffisant.
« Si nous cassons la cristallinité et créons quelque chose qui est amorphe, aléatoire et chaotique, qui peut en fait aider le magnésium à se déplacer assez bien dans la structure », explique Gopalakrishnan.
L'équipe a construit un modèle de calcul d'un matériau de pentoxyde de vanadium amorphe et a calculé à quelle vitesse les ions de magnésium peuvent se déplacer à l'intérieur.
Pour construire de tels modèles, les scientifiques utilisent généralement une méthode appelée théorie fonctionnelle de la densité (DFT), qui modélise avec précision les systèmes à un niveau électronique. Mais il faut beaucoup de temps pour simuler des systèmes amorphes en utilisant cette méthode. Les simulations de dynamique moléculaire (MD) – dans laquelle on étudie les interactions entre les atomes – sont plus rapides mais moins précises.
« La modélisation des systèmes amorphes est très difficile », explique Vijay Choyal, premier auteur de l'étude et ancien érudit postdoctoral de l'IISC.
Pour combiner la vitesse et la précision, l'équipe a utilisé un cadre d'apprentissage automatique. Ils ont d'abord utilisé le DFT pour générer des données sur le fonctionnement de la cathode amorphe fonctionneraient à petite échelle. Après avoir entraîné leur modèle d'apprentissage automatique sur ces données, ils ont utilisé le modèle pour effectuer des simulations MD.
Avec MD, ils ont pu modéliser le matériau à plus grande échelle – pour obtenir une meilleure image de la distance entre le magnésium dans le matériau amorphe et combien de temps il faut. Par rapport aux matériaux de magnésium cristallin de pointe, l'équipe a observé environ cinq ordres d'amélioration d'amplitude du taux de mouvement du magnésium sous forme amorphe.
« Notre travail offre une voie complètement différente pour identifier les matériaux d'électrode pour les batteries et nous rapproche de la commercialisation des batteries de magnésium », explique Gopalakrishnan.
L'équipe espère que les expérimentateurs pourront désormais travailler sur ce matériel amorphe et tester son efficacité dans le laboratoire. « L'un des inconvénients est que nous ne savons pas à quel point les matériaux amorphes peuvent être stables lorsqu'ils sont utilisés dans une batterie pratique », explique Debsundar Dey, co-auteur de l'étude et ancien étudiant MTECH à l'IISC.
« Le point à retenir clé est que l'utilisation de matériaux amorphes augmente la mobilité des ions, mais nous devons également valider expérimentalement nos observations. »
