Comment les simulations quantiques vont révolutionner les batteries au lithium

La technologie des batteries lithium-ion est l’un des fondements de nos modes de vie du XXIe siècle et un grand espoir pour le stockage de l’énergie verte. Et pourtant, leur développement et leur amélioration n’ont pas suivi l’évolution des autres technologies.

Dans un monde idéal, de meilleures batteries auraient une durée de vie plus longue, des temps de charge plus rapides, de plus grandes capacités et un faible coût. Mais l’électrochimie complexe à l’œuvre signifie qu’un ajustement pour améliorer un aspect des performances réduit souvent les performances dans d’autres domaines. C’est en partie parce que les effets des ajustements chimiques et matériels peuvent souvent être trop complexes à démêler.

La nouvelle technologie des simulations quantiques a le potentiel de résoudre ce problème. Une simulation quantique reproduit le comportement d’un matériau au niveau chimique le plus fondamental. En théorie, il devrait être possible de comprendre parfaitement les batteries lithium-ion, ainsi que les effets de tout ajustement.

La réalité est cependant un peu différente. Les simulations quantiques sont alimentées par la technologie émergente de l’informatique quantique et, pour le moment, la puissance de calcul disponible est limitée. En même temps, il n’y a que quelques algorithmes quantiques pour ce genre de travail. Il est donc difficile pour les électrochimistes de déterminer la manière la plus prometteuse d’exploiter les simulations quantiques.

Démarrage quantique

Entrez Alain Delgado chez Xanadu, une start-up d’informatique quantique basée à Toronto, et ses collègues, qui ont défini une approche pour simuler les aspects les plus difficiles des performances des batteries lithium-ion d’une manière qui offre le meilleur aperçu de meilleures performances. Leurs travaux ouvrent la voie à une nouvelle ère de simulations industrielles au niveau quantique qui ont la capacité d’améliorer une large gamme de performances matérielles.

Les batteries lithium-ion sont un bon test de cette approche car elles contiennent une variété d’éléments différents dans différents matériaux dans une gamme de conditions. Une batterie se compose d’une électrode positive appelée cathode qui collecte les porteurs de charge tels que les électrons et les ions lithium, d’une électrode négative appelée anode, généralement en carbone qui produit des porteurs de charge, et d’un matériau électrolyte qui transporte les ions entre les électrodes.

Lorsqu’une batterie se décharge, une réaction à l’anode libère des électrons des atomes de lithium, formant des ions lithium. Les électrons traversent la partie externe du circuit jusqu’à la cathode tandis que les ions lithium traversent l’électrolyte interne jusqu’à la cathode où ils se combinent avec les électrons pour faire partie de la structure cristalline.

Lorsque la batterie est chargée, ce processus est inversé.

Habituellement, l’anode stocke plus de lithium que la cathode. “Le matériau de la cathode est le principal facteur limitant les performances des batteries et est également responsable de jusqu’à 50 % du coût total de la batterie”, déclarent Delgado and co. Les améliorations de la cathode sont donc très recherchées.

Un bon point de départ pour tout matériau de batterie potentiel est de comprendre sa tension d’équilibre qui détermine la quantité d’énergie que la batterie peut stocker. Cependant, cette tension dépend de la structure atomique de la cathode et des différents matériaux qui se forment à l’intérieur de celle-ci.

Delgado et co donnent l’exemple du matériau de cathode oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2) qui forme également du CoO2 lorsque les ions lithium migrent. La tension d’équilibre dépend donc de l’équilibre entre ces deux. Et cela dépend à son tour de la structure électronique de chaque molécule.

Une autre propriété importante est la mobilité ionique – la vitesse à laquelle les ions lithium peuvent se déplacer à travers la structure du matériau. Ceci est à nouveau déterminé par la structure électronique du matériau.

Ensuite, il y a la stabilité thermique de la cathode, une propriété extrêmement complexe mais importante qui détermine la sécurité de la batterie. Étant donné que le matériau de la cathode est souvent un oxyde de lithium, le mouvement des ions lithium à l’intérieur et à l’extérieur de celui-ci peut libérer de l’oxygène.

Dans le même temps, les ions lithium peuvent former des dendrites qui s’étendent à travers l’électrolyte. Cela consomme des ions lithium, ce qui réduit la capacité de la batterie. Le lithium peut chauffer. Et si la dendrite s’étend à travers l’espace, elle peut court-circuiter la batterie. Tout cela peut créer des conditions dangereuses d’emballement thermique et finalement d’incendie.

Comprendre exactement comment tout cela se produit est important pour les fabricants de batteries, mais cela dépend de la structure exacte du matériau au niveau atomique.

Simulations futures

Delgado et co précisent que toutes ces propriétés devraient être accessibles aux simulations quantiques dans un futur proche et exposent les algorithmes et les propriétés informatiques nécessaires à ces calculs.

Ces calculs déterminent le comportement de chaque électron inclus dans la simulation. Cependant, la taille de la simulation augmente de façon exponentielle avec le nombre d’électrons. Cela devient donc un facteur limitant important.

La simulation fonctionne en manipulant un système quantique de telle sorte que chaque qubit représente l’un des états quantiques d’intérêt, comme l’état orbital d’un électron.

Pour développer une approche de modèle, Delgado et co se concentrent sur un matériau de cathode appelé silicate de fer dilithium (Li2FeSiO4). La cellule unitaire de ce matériau est constituée de seize atomes (4 atomes de lithium, deux atomes de fer, deux atomes de silicium et huit atomes d’oxygène) et de 156 électrons.

La simulation du comportement de chacun de ces électrons dépasse actuellement les capacités des ordinateurs quantiques actuels. Mais Delgado et co montrent comment optimiser les calculs pour produire des prédictions utiles.

Le résultat est un plan détaillé pour aborder ces calculs en prévision d’ordinateurs quantiques suffisamment puissants pour les effectuer dans un avenir proche. “Au meilleur de notre connaissance, il s’agit de la première tentative d’estimation des ressources nécessaires pour exécuter des algorithmes quantiques visant à effectuer des calculs d’énergie à l’état fondamental de haute précision d’un matériau de cathode réaliste”, déclarent les chercheurs.

C’est un travail intéressant qui montre à quel point les simulations quantiques sont arrivées et comment elles sont susceptibles d’évoluer dans un avenir proche. Un premier résultat, s’il en est, sera de meilleures batteries lithium-ion pour alimenter la prochaine génération d’appareils.

Mais les implications sont bien plus profondes. Les simulations quantiques annoncent une nouvelle ère de matériaux conçus à partir du niveau quantique et qui fonctionneront au-delà des limites de tout ce que nous avons aujourd’hui. Ça devrait être plutôt excitant !

Réf : Comment simuler les propriétés clés des batteries lithium-ion avec un ordinateur quantique tolérant aux pannes : arxiv.org/abs/2204.11890