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Du 2D au 3D : des designs innovants pour matériaux de batteries Li-ion

Du 2D au 3D : des designs innovants pour matériaux de batteries Li-ion


Depuis quelques années, les chercheurs ont découvert que certains matériaux d'électrodes positives bénéficiaient d'un "bonus" de capacité grâce à l'activité d'espèces anioniques en supplément de l'activité des cations. Cette activité n'avait été prouvée que pour une classe précise de matériaux, les oxydes lamellaires, dotés d’une structure bidimensionnelle (en 2D). Un groupe de chercheurs français et belges  emmené par Jean-Marie Tarascon, directeur du RS2E et professeur au Collège de France, ont observé pour la première fois ce phénomène dans des oxydes de structure tridimensionnelle (3D). La richesse de la famille des oxydes tridimensionnels ouvre ainsi de nouvelles opportunités dans la recherche de matériaux à capacité exacerbée pour les batteries du futur.  Ces travaux sont publiés le 27/02/2017 dans Nature Materials.

Optimiser les batteries Li-ion

La technologie lithium-ion est très présente dans notre quotidien elle est actuellement utilisée dans les batteries rechargeables équipant les appareils électroniques de notre quotidien (smartphones, ordinateurs portables). C’est également la technologie la plus prometteuse en matière de d’applications pour véhicules électriques. Cependant, elle souffre encore de limitations, notamment en matière de durée de vie, de sécurité et d’autonomie.

C’est à cette fin que des chercheurs se sont penchés sur son amélioration, et plus spécifiquement sur les matériaux utilisés dans la conception des électrodes positives (ou cathodes). L’objectif est d’augmenter la quantité d’énergie contenue dans la batterie (ou capacité) via son électrode positive qui est le point faible de la batterie à cet égard. Pour cela, une des voies les plus couramment empruntées par les scientifiques du domaine est l’utilisation de matériaux « Li-rich » dont la composition chimique, enrichie en lithium, permet d’augmenter les capacités des cathodes.

Depuis 2012, des progrès constants dans la recherche

Après avoir proposé le mécanisme d’oxydo-réduction anionique en 2013, les chercheurs ont franchi une étape supplémentaire en 2015 en visualisant pour la première fois ce phénomène par microscopie électronique. Ce dernier engendre une augmentation de la capacité du matériau, dans un composé « Li-rich » à base d’iridium et de structure lamellaire "2D".  Cette réaction prometteuse était donc jusque-là limitée à des oxydes de structure bidimensionnelle, ce qui limitait le nombre de matériaux candidats pour la recherche.

Les chercheurs ont donc étendu leurs recherches à la structure des nouveaux composés Li-rich.  Car malgré des performances prometteuses, ces matériaux souffraient toujours d’une chute de potentiel au fil des cycles de charge/décharge. De plus, la structure lamellaire est peu propice au retrait total du Li lors de la décharge sans un glissement des feuillets, qui conduit à l’effondrement, et donc la destruction, du matériau.

Pour combler ces lacunes, les chercheurs français de laboratoires membres du RS2E se sont associés à des chercheurs belges de l’Université d’Antwerp en Belgique pour leurs expertises en microscopie électronique. Cette équipe transdisciplinaire, dont les travaux ont été financé par l’European Research Council (ERC), s’est également appuyée sur le travail d’un étudiant en master, Paul Pearce, dont le travail sur les synthèses des matériaux a permis aux chercheurs l’élaboration d’une phase β-Li2IrO3. Une belle contribution pour un très jeune chercheur !

Figure 1 : Au sein de la phase β-Li2IrO3, l’iridium (en bleu), l’oxygène (en rouge) et le lithium (en orange) sont ordonnés en une structure tridimensionnelle « en charpente ».

Une structure « en charpente » plus stable

Ils ont ainsi étudié l’activité anionique au sein de cette nouvelle phase, où l’iridium est structuré non pas de façon lamellaire (2D) mais tridimensionnelle (3D). Cette nouvelle « charpente » autorise le retrait de tous les ions lithium sans effondrement de la structure et sans dégradation du matériau, et conduisant à une nouvelle phase IrO3 jamais rapportée jusque-là. Ils ont également pu observer une réversibilité de 2,5 ions Li+ par métal de transition : un résultat très encourageant car, à la connaissance des chercheurs, aucun composé soumis à des tests de charge/décharge n’a jamais dépassé une réversibilité de 2 ions.

Figure 2 : Le lithium, présent dans le matériau à l’état déchargé (pristine), disparait complétement avec la charge du matériau, ce qui aboutit à la création d’une phase iridium/oxygène.

Ces travaux de recherche fondamentale permettent d’entrevoir les opportunités offertes par des nouveaux designs de matériaux d’électrodes à double capacité, à la fois anionique et cationique. Les chercheurs travaillent d’ailleurs déjà sur le remplacement de l’iridium utilisé ici par des métaux plus abondants, comme le manganèse ou le titane. Une étape indispensable avant de pouvoir envisager des applications concrètes.

 

Référence :

Evidence for anionic redox activity in a tridimensional-ordered Li-rich positive electrode β-Li2IrO3

Paul E. Pearce, Arnaud J. Perez, Gwenaelle Rousse, Mathieu Saubanère, Dmitry Batuk, Dominique Foix, Eric McCalla, Artem M. Abakumov, Gustaaf Van Tendeloo, Marie-Liesse Doublet and Jean-Marie Tarascon

Nature Materials, 27/02/2017, DOI: 10.1038/NMAT4864