Stocker beaucoup plus d'énergie dans les batteries Li-ion

Publié par Adrien le 01/09/2021 à 09:00
Source: CNRS INC
Le stockage électrochimique de l'énergie grâce aux batteries Li-ion est un axe essentiel de la révolution énergétique de notre siècle. Les limitations intrinsèques des matériaux utilisés pour la cathode de ces batteries forment néanmoins un plafond (Par extension, un plafond représente le maximum de quelque chose :) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) infranchissable pour amener plus loin cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :). Une équipe internationale de scientifiques ouvre aujourd'hui une brèche ( La Brêche ou Brèche est une rivière française située dans le département de l'Oise. La...) avec une toute nouvelle famille de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...): les halogénures lamellaires couplés à des électrolytes superconcentrés. Ces résultats très prometteurs sont à retrouver dans la revue Nature Materials.


Combinés à un électrolyte superconcentré, les halogénures lamellaires ne se dissolvent plus et forment une famille de matériaux prometteurs pour les cathodes des batteries Li-ion.
© Nicolas Dubouis

Ces dernières décennies, les batteries à ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) (Li-ion) se sont imposées comme la technologie phare pour le stockage de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...). Leur fonctionnement repose, notamment, sur l'intercalation d'ions lithium dans des matériaux qui composent les électrodes de la batterie (positive pour la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) et négative pour l'anode). Cette technologie mature est le résultat de recherches frénétiques débutées dans les années 90 pour trouver des matériaux de cathodes toujours plus performants. Ces recherches ont abouti à la découverte d'oxydes lamellaires ou de matériaux dits polyanioniques utilisés aujourd'hui dans les dispositifs commerciaux. Leurs principaux inconvénients restent l'utilisation de métaux de transition rares, chers et toxiques ainsi qu'une durée de vie (La vie est le nom donné :) limitée, pour les uns, et la faible densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'énergie pour les autres. Chaque famille a donc ses limitations intrinsèques que seule l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de nouvelles catégories de matériaux permettrait de dépasser.

Parmi les autres familles de composés d'intercalation qui présentent en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des caractéristiques prometteuses, les halogénures lamellaires, dont la structure géométrique est similaire à celle des oxydes lamellaires, sont intéressants. Malheureusement, leur solubilité trop importante dans les électrolytes habituellement utilisés dans les batteries Li-ion a, jusque-là, découragé les recherches sur ces matériaux.

Une équipe internationale, menée par un chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) du laboratoire Chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) du solide et de l'énergie (CNRS/Sorbonne Université/Collège de France) vient de montrer qu'il était possible de dépasser cette limite en couplant l'utilisation d'halogénures lamellaires avec des électrolytes superconcentrés et d'assembler des dispositifs électrochimiques stables. Afin de tester cette nouvelle approche, les scientifiques ont étudié le comportement électrochimique de trois halogénures différents à base de Chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de...), Brome (Le brome est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Br et de...) et Iode (L'iode est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole I et de...), à savoir VCl3, VBr3 et VI3. Les résultats confirment qu'un ion Li+ par unité peut s'intercaler réversiblement dans ces matériaux. Cette preuve de concept très prometteuse, publiée dans la revue Nature Materials, va permettre d'explorer tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) un nouveau pan du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique pour l'élaboration de matériaux pour le stockage électrochimique de l'énergie et, qui sait, briser le plafond de verre qui repose actuellement sur les batteries Li-ion.

Référence:
Extending insertion electrochemistry to soluble layered halides with superconcentrated electrolytes
Nicolas Dubouis, Thomas Marchandier, Gwenaelle Rousse, Florencia Marchini, François Fauth, Maxim Avdeev, Antonella Iadecola, Benjamin Porcheron, Michael Deschamps, Jean-Marie Tarascon et Alexis Grimaud
Nature Materials 29 juillet 2021.
https://doi.org/10.1038/s41563-021-01060-w
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