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Posté par Redbran le Lundi 11/01/2016 à 12:00
De nouveaux matériaux pour des batteries plus performantes
Les batteries composées de matériaux enrichis en lithium (ou "Li-rich") présentent une grande autonomie étant donnée leur importante capacité de charge. Cependant, l'exploitation industrielle était jusqu'alors freinée par des performances médiocres (faible durée de vie (La vie est le nom donné :), perte de potentiel ...). Des équipes du Laboratoire chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) du solide et énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) (CNRS / Collège (Un collège peut désigner un groupe de personnes partageant une même caractéristique ou un établissement d'enseignement.) de France) viennent de montrer que les performances de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) peuvent désormais être contrôlées et donc améliorées en modulant les propriétés physico-chimiques des matériaux. Ces résultats sont publiés dans la revue Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...).


Visualisation des dimères oxygènes par TEM: petits points reliés par traits noirs, les points noirs plus gros sont des atomes d'iridium. © L'équipe de chercheurs
Dans nos batteries actuelles, les capacités des électrodes positives atteignent au mieux 200mAh/g ce qui reste largement insuffisant pour les usagers qui demandent toujours plus d'autonomie pour leurs appareils mobiles. De gros efforts sont donc engagés en ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements d'une installation technique ou...) chez les fabricants de batteries pour améliorer les performances de ces dispositifs mais aussi en recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On...) pour concevoir des nouveaux matériaux dont la composition chimique, enrichie en lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.), permettrait d'augmenter les capacités des électrodes positives. Ainsi, la découverte des matériaux "Li-rich" présentant des capacités pouvant atteindre 300mAh/g permet d'envisager un gain d'autonomie de 20% des batteries actuelles. Malheureusement, les tentatives des sociétés BASF (BASF est un groupe chimique allemand et le plus grand groupe de chimie au monde. Son siège social est situé à Ludwigshafen en Allemagne.) et 3M pour commercialiser ces batteries restent aujourd'hui vaines en raison de la durée de vie très limitée des matériaux "Li-rich" au fil des cycles de charge/décharge de la batterie.

Les chercheurs du Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node) l'extrémité d'une...) sur le stockage électrochimique de l'énergie progressent dans la compréhension des mécanismes et des performances remarquables de ces matériaux. En 2013, ils publient dans Nature Materials une première proposition de mécanisme électrochimique à l'origine des capacités record de ces matériaux, basée sur une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) redox anionique venant s'ajouter à l'activité redox cationique classiquement observée dans ce type de matériaux. En 2014, toujours dans Nature Materials, ils relient la chute de potentiel au cours des cycles de charge/décharge à une instabilité structurale des matériaux découlant d'une migration cationique partiellement irréversible. Enfin, début 2015, ils utilisent l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit...) électronique (résonance paramagnétique électronique) pour publier dans Nature Communications la première preuve expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit...) de l'activité anionique proposée en 2013.

Si ces avancées fondamentales ont clairement permis d'identifier le réseau anionique des matériaux "Li-rich" comme un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication...) indispensable de l'augmentation de capacité, l'instabilité structurale découlant de l'activité redox anionique (dégazage de gazeux) devait être contrée pour espérer maîtriser les prouesses technologiques que ces matériaux laissent entrevoir.


Structure générale du matériau chargé (image TEM). © L'équipe de chercheurs
Ce dernier verrou vient d'être levé grâce à un groupe de chercheurs internationaux (belges, slovènes, russes et français) qui proposent la première observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) expérimentale d'une activité anionique réversible dans un matériau "Li-rich" à base d'Iridium. Le point (Graphie) de départ de cette étude a été d'utiliser un système modèle de la même famille structurale que les matériaux "Li-rich" mais présentant des liaisons chimiques plus stables entre le réseau de cations et le réseau d'anions pour limiter les migrations cationiques. Grâce à une technique particulière de microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil...) électronique à transmission, la réponse structurale du matériau aux cycles de charge/décharge a pu être suivie et visualisée à l'échelle atomique. Les chercheurs ont ainsi pu prouver que l'activité redox anionique s'accompagne d'une réorganisation du sous-réseau (Le mot sous-réseau a deux significations. Sa signification ancienne mais plus générale est un réseau (Réseau informatique) physique faisant parti d'un réseau plus global (en:internetwork). Au niveau d'IP, un...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) en espèces peroxydées (O2)n- , en parfait accord avec les prédictions théoriques publiées en 2013 dans Nature Materials.

La charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) de ces espèces a pu être évaluée précisément à (O2)3-. Leur stabilité vis-à-vis du dégazage en dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de...) gazeux (mécanisme irréversible nuisant au maintien de la capacité) a également pu être reliée à la nature des liaisons chimiques cation-anion dans le matériau et indirectement au potentiel auquel ces espèces se forment (< 4.3 Volt). Enfin, la chute de capacité survenant sur les longs régimes de cyclage a pu être corrélée à l'émergence et à l'accumulation de fautes d'empilements dans la structure lamellaire du matériau. Une priorité à traiter pour commercialiser ces batteries !


Superposition de la structure initiale du matériau (noir) et de sa structure chargée (d'après analyse par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être...) de neutron). © L'équipe de chercheurs
Au début des années 2000, l'équipe avait déjà prédit la possibilité de telles réactions anioniques sans que cette proposition ne fasse l'unanimité. Au-delà de la preuve irréfutable apportée pour ce mécanisme par la microscopie électronique à transmission, l'étude de ces chercheurs met en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) la possibilité de moduler à l'infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou...) les propriétés des matériaux "Li-rich" dès lors qu'on comprend l'origine de leurs limitations. A ce propos, Jean-Marie Tarascon déclare: "Nous avons expliqué l'essentiel des problèmes de ces composés ; à nous maintenant de proposer des solutions pour y répondre ! Travail qui a déjà commencé avec notamment des travaux sur des nanoparticules encapsulées afin de limiter leur chute en potentiel au cyclage".

Pour plus d'information voir:
Éric McCalla, Artem M. Abakumov, Matthieu Saubanère, Dominique Foix, Erik J. Berg, Gwenaëlle Rousse, Marie-Liesse Doublet, Danielle Gonbeau, Petr Novák, Gustaaf Van Tendeloo, Robert Dominko & Jean-Marie Tarascon
Visualization of O-O peroxo-like dimers in high-capacity layered oxides for Li-ion batteries
Science, 18/12/2015, DOI: 10.1126/science.aac8260
http://dx.doi.org/10.1126/science.aac8260

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Source et illustration: CNRS