Une nouvelle étape pour la redox anionique

Publié par Redbran le 01/04/2020 à 14:00
Source: CNRS INC
Les piles et les batteries reposent sur des échanges d'électrons qui ont lieu lors de l'oxydation et la réduction d'ions positifs. L'implication des ions négatifs (redox anionique) permettrait de doubler les performances, mais provoque une dégradation 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 raison de propriétés particulières et mise en...) trop rapide et importante. Des chercheurs de France, Allemagne, Suisse et Russie ont cependant découvert une nouvelle phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) dans les électrodes à redox anionique soumises à des tensions élevées, qui améliore leur durabilité. Publiés dans Nature Communications, ces travaux aident à mieux comprendre la redox anionique, avec l'espoir de l'adapter pour des applications à l'échelle industrielle.


Structure de la phase densifiée après une oxydation sévère. © Yin et al.

Les piles et les batteries fonctionnent grâce à des échanges d'électrons entre ions positifs (cations) et négatifs (anions): les réactions d'oxydoréduction (redox). La circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) des électrons permet de stocker ou libérer de l'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.). Les systèmes redox classiques se focalisent sur l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) des cations, mais tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) un pan de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) s'intéresse depuis quelques années aussi aux anions. La redox anionique, qui combine l'activité des deux types d'ions, double les performances énergétiques des piles, mais souffre en retour de chutes intempestives de tension (La tension est une force d'extension.) et supporte un plus faible nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de cycles de 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 transporté.) et décharge. Afin d'amoindrir ces points négatifs en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) d'un développement industriel, une équipe internationale (1) a exploré le comportement d'une électrode type dans de fortes conditions de redox anionique. Les chercheurs ont ainsi découvert une nouvelle phase dans la structure du matériau.

Leur électrode (2) riche en lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) a été soumise à des conditions d'oxydation (4,8 V) et de réduction (1,2 V) plus importantes que celles présentes dans les applications courantes. L'oxydation a formé une nouvelle phase jusqu'à l'intérieur du matériau, alors que l'on pensait que le phénomène n'opérait qu'en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...). Électrons et atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) y circulent ainsi plus efficacement, tandis que l'électrode insère davantage d'ions pendant la réduction. Elle fonctionne ainsi mieux et s'use moins lors de chaque cycle de charge/décharge. L'électrolyte, soit le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ionique où sont plongées les électrodes, s'abime cependant davantage. Malgré cela, la stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) d'oxydation/réduction présentée offre une nouvelle piste pour lever les verrous bloquant le développement commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) de la redox anionique.

Ces travaux ont rassemblé des 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 de l'énergie (CSE, CNRS/Sorbonne Université/Collège de France), de l'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.) 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...) et les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (IPREM, CNRS/Université de Pau), de l'Institut de recherche de chimie de 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...) (IRCP, CNRS/Chimie ParisTech), tous les trois réunis au sein 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...) sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), ainsi que de l'institut Skolkovo des sciences et technologies (Russie), de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) technique de Munich (Allemagne) et de l'institut Paul Scherrer (Suisse).


Wei Yin, première autrice, au laboratoire. © Wei Yin.

Note:
(1) Les chercheurs français impliqués sont liés au Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E).
(2) De formule Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2.


Référence:
Wei Yin, Alexis Grimaud, Gwenaelle Rousse, Artem M. Abakumov, Anatoliy Senyshyn, Leiting Zhang, Sigita Trabesinger, Antonella Iadecola, Dominique Foix, Domitille Giaume & Jean-Marie Tarascon.
Structural evolution at the oxidative and reductive limits in the first electrochemical cycle of Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2.
Nature Communication, 06/03/20.
DOI: 10.1038/s41467-020-14927-4
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