Le MIT a surmonté un compromis dans les batteries en réduisant la molécule d'électrolyte, sans la reconcevoir

Les batteries au sodium métallique sont attrayantes car le sodium est environ 1 000 fois plus abondant que le lithium et environ cent fois moins cher à la livre, mais le sodium métallique est hautement réactif, ce qui rend difficile d'obtenir à la fois une stabilité à long terme et une charge/décharge rapide dans une même batterie. L'électrolyte — le composant qui transporte les ions chargés entre les électrodes — est généralement le goulot d'étranglement : la plupart des électrolytes réagissent avec les électrodes de manière à accumuler des composés insolubles, à bloquer le transport des ions et, à terme, à tuer la batterie.

En 2021, le même groupe du MIT avait identifié le DMTMSA, un solvant sulfonamide qui restait stable aux deux électrodes dans les batteries au lithium — décrit par le chef de groupe Ju Li comme « magiquement stable ». La question ouverte pour les batteries au sodium était de savoir si une molécule apparentée pouvait conserver cette stabilité tout en étant suffisamment petite pour déplacer rapidement les ions sodium, car les molécules de solvant plus volumineuses ralentissent le transport des ions, comme une grosse valise ralentit quelqu'un qui se déplace dans une foule.

Plutôt que de chercher largement, l'équipe a restreint la recherche à des molécules « congénères » — structurellement et électroniquement similaires au DMTMSA — en estimant que l'appartenance à la même famille était plus susceptible de préserver la stabilité. L'étudiant en doctorat Chia-Wei Hsu a construit un algorithme guidé par l'IA qui a généré 100 000 molécules candidates en 24 heures, les a réduites à 200 selon des critères de forme et de propriétés électroniques, puis a sélectionné 27 candidats représentatifs couvrant cette gamme pour des tests en laboratoire dans des conditions appariées.

Le DMFSA, le plus petit des 27, l'a emporté sur les deux axes : stabilité et transport rapide des ions. Le groupe répète maintenant le même processus de recherche de congénères en partant du DMFSA lui-même, espérant trouver un solvant encore meilleur, et présente la méthode sous-jacente — utiliser la taille moléculaire et la similarité de famille comme variables de recherche — comme un principe général de conception d'électrolytes applicable au-delà des batteries au sodium.

Chercher uniquement des molécules structurellement similaires à un solvant connu pour être stable, puis choisir la plus petite

Restreindre les candidats à des molécules structurellement apparentées à un solvant dont la stabilité est prouvée signifiait que l'équipe ne jouait pas la stabilité contre la vitesse en partant de zéro — la similarité agissait comme un a priori de stabilité.

Générer 100 000 candidats par calcul et filtrer jusqu'à 27 signifiait que l'étape coûteuse, synthétiser et tester les électrolytes en confrontation directe, ne devait avoir lieu que sur une liste courte.

Tester les 27 finalistes dans des conditions identiques faisait de la comparaison une lecture directe et équitable du point de compromis gagnant, plutôt que des résultats faussés par des configurations différentes.

Un chercheur indépendant (Jinhyuk Lee, Université McGill) a qualifié l'approche taille-et-similarité de généralisable à d'autres chimies de stockage d'énergie, pas seulement à ce système.

Lorsque deux propriétés sont en compromis, chercher des molécules apparentées à un exemple connu comme bon, et non dans l'espace complet — fixer la famille tout en optimisant la taille transforme une recherche ouverte en une liste courte testable.

Les résultats ont été publiés dans la revue Joule par 15 membres de l'équipe du MIT. Le groupe est passé à une deuxième ronde de recherche de congénères en utilisant le DMFSA comme nouveau point de référence plutôt que le DMTMSA, visant à trouver un solvant qui améliore encore à la fois la stabilité et la vitesse de charge. Les travaux ont été soutenus en partie par une subvention de la National Research Foundation of Korea et une bourse de recherche doctorale de la U.S. National Science Foundation, avec un équipement de caractérisation fourni par MIT.nano.