L’apprentissage automatique trouve des matériaux de batterie au fluorure qui pourraient rivaliser avec le lithium
L’apprentissage automatique a été utilisé pour découvrir rapidement certains des matériaux les plus prometteurs pour les batteries fluorure-ion. Ces travaux pourraient accélérer le développement de ces batteries, que certains pressentent pour rivaliser, voire remplacer, celles à base de lithium.
En théorie, les systèmes fluorure-ion sont idéaux pour les batteries dans tout, des véhicules électriques à l’électronique grand public. C’est parce que les ions fluorure sont légers, petits et très stables. Le fluorure est également moins cher que le lithium et le cobalt qui sont nécessaires pour les batteries lithium-ion. De plus, les calculs suggèrent que les batteries fluorure-ion ont un potentiel de plus grande capacité de stockage que les technologies lithium-ion.
Cependant, la recherche sur les batteries fluorure-ion en est encore à ses balbutiements, le premier exemple expérimental n’ayant été signalé qu’en 2011. La recherche a été lente car peu de matériaux sont connus pour conduire des ions fluorure, une exigence vitale puisque c’est le mouvement de ces ions qui permet ces batteries pour charger et décharger. Trouver les meilleurs matériaux à utiliser dans les batteries fluorure-ion a donc posé un défi.
Maintenant, Jack Sundberg et ses collègues du laboratoire Scott Warrens de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, aux États-Unis, ont mis au point une méthode d’apprentissage automatique utilisant des superordinateurs qui peuvent déterminer rapidement et avec précision la facilité avec laquelle les ions fluor se déplacent dans n’importe quel cristal contenant du fluor. . L’équipe a initialement utilisé une méthode de calcul hiérarchique commune pour filtrer une base de données de 140 000 matériaux connus, la coupant à 10 000 candidats contenant du fluorure.
Parce que les conducteurs d’ions fluorure n’ont pas été beaucoup étudiés, nous ne savions tout simplement pas quels critères supplémentaires appliquer pour trouver les meilleurs candidats parmi les 10 000, explique Warren. Cela signifiait que des matériaux prometteurs pouvaient potentiellement être rejetés par un seul critère avant de pouvoir être identifiés par d’autres critères et qu’une nouvelle stratégie était donc nécessaire.
La solution s’est avérée incroyablement simple : classer les structures au lieu de les supprimer, explique Sundberg. Dans le sport, les classements des équipes sont mis à jour au fur et à mesure de la saison. Ici, les classements de structure sont mis à jour au fur et à mesure que nous en apprenons davantage sur la diffusion du fluorure.
Sundberg a d’abord sélectionné au hasard 300 des 10 000 candidats et a effectué des calculs très précis pour la capacité de transport du fluorure de chaque matériau. Ces calculs de référence, qui prenaient une semaine par matériau, ont ensuite été utilisés pour former le système afin de développer une version beaucoup plus rapide du calcul à seulement une heure par matériau. Les chercheurs ont ensuite pu appliquer cela aux matériaux restants pour déterminer rapidement et avec précision leurs propriétés de conduction du fluorure. La technique a identifié d’autres conducteurs fluorés connus, ce qui a donné confiance à l’équipe dans ses résultats.
Ce qui est vraiment cool, c’est que de nombreux matériaux semblent être de meilleurs conducteurs que ceux utilisés dans les batteries lithium-ion, déclare Warren. Un de ces matériaux est un composé zinc-titane contenant du fluorure, ZnTiF6. Ce matériau est extrêmement bon marché, possède d’excellentes propriétés de conduction du fluorure et devrait être particulièrement prometteur en tant qu’électrolyte pour une batterie aux ions fluorure. Nous venons de déposer un brevet pour certaines des compositions les plus excitantes, explique Warren.
Ce travail permettrait à la communauté expérimentale de la chimie à l’état solide de concentrer d’abord ses efforts sur les compositions sélectionnées par calcul et donc d’accélérer le processus de découverte des matériaux, explique Mauro Pasta, qui étudie les batteries fluorure-ion à l’Université d’Oxford, au Royaume-Uni. Ce sera passionnant de voir de nouvelles compositions explorées expérimentalement.
Sundberg suggère qu’il ne faudra peut-être pas longtemps avant que les matériaux suggérés soient testés, y compris le ZnTiF6. Nos calculs montrent que ces matériaux sont stables et peuvent être synthétisés, donc d’autres étudiants de notre laboratoire travaillent à les synthétiser expérimentalement et à tester leurs propriétés.