Voitures électriques: des batteries au lithium très performantes

Publié par Michel le 31/07/2008 à 00:00
Source: CNRS - CEA
Illustration: © ICMCB et photothèque du CNRS
Pourquoi le phosphate de fer et de lithium, matériau amené à envahir nos futures batteries au lithium, réussit à conduire le courant alors qu'il est isolant ? Des chimistes du CNRS (1), dans le cadre d'une collaboration avec une équipe du CEA-Liten (2), ont réussi à élucider ce paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un...). Leur modèle "Domino cascade processus", vérifié expérimentalement, montre que des contraintes locales au sein du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) permettent une conduction électronique et ionique se propageant de proche en proche et assurant ainsi le fonctionnement de la batterie. Ces résultats, publiés dans le numéro d'août de Nature Materials, ouvrent des perspectives nouvelles pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) d'électrodes pour les batteries et permettent de comprendre le fonctionnement des batteries des voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) électriques de demain.


Les nanoparticules de phosphate de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) et de lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) (100 nm) constituant l'agglomérat
sont transformées individuellement durant la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de la batterie
via le "domino cascade processus"

Les batteries lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point,...) permettant de stocker trois à quatre fois plus d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) par unité de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) que les batteries classiques ont envahi le marché des systèmes nomades (ordinateurs, téléphones portables, baladeurs, etc...). Les matériaux d'électrodes positives de ces batteries ont des performances excellentes mais un coût trop élevé pour être utilisés dans les grosses batteries des véhicules électriques et des véhicules hybrides de deuxième génération. Le matériau d'avenir pour ces applications est le phosphate de fer et de lithium: écologique, il possède des propriétés exceptionnelles alliées à un faible coût et une bonne stabilité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...), élément essentiel pour la sécurité. Toutes ces caractéristiques en font le candidat le plus à même d'équiper les batteries lithium de nos futures voitures électriques. Paradoxalement, ce matériau ne présente pas les propriétés de conduction ionique et électronique requises pour le fonctionnement de l'électrode.

Des chimistes CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) condensée de Bordeaux (ICMCB) ont réussi, pour la première fois, à interpréter ce paradoxe. En étudiant du phosphate de fer et de lithium, dans le cadre d'une collaboration avec une équipe du CEA-Liten, ils ont montré que les cycles de charge et décharge de la batterie sont possibles grâce au "domino cascade processus". Ce phénomène se manifeste dès lors qu'il existe des contraintes à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) entre le matériau qui se décharge et le matériau à l'état déchargé. La conduction électronique et ionique est alors extrêmement rapide dans la zone interfaciale ; elle se propage de proche en proche, tels des dominos, au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure que l'interface se déplace. Ce modèle a été vérifié par des mesures microscopiques.

Ce processus de réaction inédit, ressemblant à une vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les...) qui balaierait le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...), permet d'expliquer pourquoi deux matériaux isolants (matériau à l'état chargé et déchargé) peuvent quand même faire fonctionner des batteries lithium-ion. Cela constitue une avancée importante dans le domaine de la recherche de nouveaux matériaux d'électrodes plus sûrs et à bas coût pour les futures batteries au lithium. Cette recherche a également permis de connaître le fonctionnement, à une échelle nanométrique, des batteries à base de phosphate de fer et de lithium, amenées à équiper les voitures hybrides et électriques de demain.


Notes:

(1) Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) est une unité propre du CNRS, rattachée à l'Université de Bordeaux (Cette page est consacrée au PRES Université de Bordeaux. Pour les pages sur les...) (les travaux ont été effectués sur le site de l'ENSCPB).
(2) CEA-Liten: Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux.


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