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Posté par Redbran le Mardi 21/03/2017 à 00:00
Des oxydes tridimensionnels pour les batteries du futur
Du 2D au 3D: des designs innovants favorisent le stockage dans les batteries Lithium-ion.

Depuis quelques années, les chercheurs ont découvert que certains matériaux d'électrodes positives bénéficiaient d'un "bonus" de capacité de stockage grâce à l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) d'espèces anioniques en supplément de l'activité des cations. Cette activité n'avait jusqu'à maintenant été prouvée que pour une classe précise de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.), des oxydes lamellaires dotés d'une structure bidimensionnelle (en 2D), qui présentent des performances encore limitées. Des chercheurs du Laboratoirechimie 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 de France/UPMC), en collaboration avec d'autres équipes(1), ont observé pour la première fois cette activité dans des oxydes de structure tridimensionnelle (3D) bien plus favorable à la capacité de stockage. La richesse de la famille des oxydes tridimensionnels ouvre ainsi de nouvelles opportunités dans la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de nouveaux matériaux à capacité exacerbée pour les batteries du futur. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Materials.

La technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point, présentant un très important potentiel électrochimique. On...) très présente dans notre société 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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) d'applications pour véhicules électriques. Cependant, elle souffre encore de limitations, notamment en matière de durée de vie (La vie est le nom donné :), de sécurité et d'autonomie.

Pour améliorer les performances de ces batteries, les scientifiques testent de nouveaux matériaux d'électrodes positives (ou cathodes) qui pourraient permettre d'augmenter la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) d'énergie contenue dans la batterie (ou capacité), via son électrode positive qui est actuellement le point (Graphie) faible de la batterie. Pour cela, la voie la plus explorée par les scientifiques est l'utilisation de matériaux "Li-rich" dont la composition chimique, enrichie en lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.), permet d'augmenter les capacités des cathodes. Ce phénomène a récemment été mis en évidence par les chercheurs 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...) du solide et énergie dans des oxydes d'iridium de structure bidimensionnelle lamellaire. Malgré leurs performances prometteuses, leur structure lamellaire est peu propice à la circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) du Li au cours de la décharge ce qui conduit à la destruction du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...). En effet, la propagation est rendue difficile par le passage d'une lamelle à l'autre.

Pour contourner ce problème, les chercheurs se sont intéressés à une nouvelle phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) où l'iridium est structuré non plus de façon lamellaire (2D) mais tridimensionnelle (3D), qui présente cette fois une structure continue.


LFigure 1: Au sein de la phase ?-Li2IrO3, l'iridium (en bleu), l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (en rouge) et le lithium (en orange) sont ordonnés en une structure tridimensionnelle "en charpente".

Cette nouvelle "charpente" autorise la circulation de tous les ions lithium sans effondrement de la structure et sans dégradation du matériau. Ils ont également observé une excellente réversibilité de la circulation des ions durant les cycles de charge/décharge de la batterie.


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.

Des résultats qui 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 également sur le remplacement de l'iridium utilisé actuellement par des métaux plus abondants, comme le manganèse ou le titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.). Une étape indispensable avant de pouvoir envisager des applications concrètes.

Note:
(1) Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Charles Gerhardt (CNRS/Université de Montpellier), University of Antwerp (Groenenborgerlaan- Belgique), Institut des sciences analytiques et de physico-chimie pour l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...) et les matériaux (CNRS/Université de Pau).


Référence:
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 & Jean-Marie Tarascon
Evidence for anionic redox activity in a tridimensional-ordered Li-rich positive electrode ?-Li2IrO3
Nature Materials 27 février 2017
DOI: 10.1038/NMAT4864

Contact chercheur:
Jean-Marie Tarascon, Collège de France (Le Collège de France, situé au no 11 place Marcelin-Berthelot dans le quartier latin de Paris (Ve arrondissement), est un grand établissement d'enseignement et de recherche. Il dispense des cours non...) - Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la...)

Contacts institut:
Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie, une machine à broyer, piler, pulvériser diverses substances et à extraire certains produits (huile, pommes, poudre, épices,...), Stéphanie Younes

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Source: CNRS-INC