La caractérisation des nouveaux matériaux de batterie
Satisfaire la demande énergétique mondiale d'une façon durable en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles constitue l'un des défis les plus importants du XXIe siècle. Les batteries li-ion mènent la charge à maints égards. Elles ont révolutionné l'électronique grand public, investissent rapidement le marché des voitures électriques et sont sur le point de dominer le secteur du stockage d'énergie du réseau électrique. Le projet IONELECTRO (Molecular origins of electrochemical energy storage properties in lithium-ion batteries and supercapacitors), financé par l'UE, a apporté un nouvel éclairage intéressant sur les mécanismes à l'échelle atomique pour la conception rationnelle de batteries Li-ion améliorées. La structure est toujours intrinsèquement liée à la fonction et les batteries Li-ion ne font pas exception à la règle. Il est toutefois difficile d'analyser les structures amorphes et les défauts au niveau atomique ou du transport d'ions. Exploitant une spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide nouvellement développée et à la pointe de la technologie, des scientifiques ont révélé des détails essentiels sur les matériaux électrolytiques et d'électrode pour batteries Li-ion de prochaine génération. Les chercheurs ont développé une nouvelle approche expérimentale de base RMN afin d'identifier et de caractériser les structures et environnements Li locaux dans les électrolytes solides contenant du lithium ainsi que les défauts à l'échelle atomique dans les électrodes de batterie Li-ion à structure cristalline. Les scientifiques ont réussi à révéler les propriétés à l'échelle atomique du lithium dans différents environnements, apportant pour la première fois des précisions qui auront des répercussions importantes. Contrairement aux autres techniques suggérant que le LiVPO4F (un matériau d'électrode pour batterie Li-ion de prochaine génération) est très bien cristallisé, les nouvelles expériences ont démontré un grand nombre de défauts et leur nature. Une étude des origines des défauts et de leurs impacts sur les propriétés électrochimiques est en cours. Des différences dans les environnements Li locaux ont également été trouvées dans deux formes d'une autre électrode pour batterie Li-ion très prometteuse (Li2Fe(SO4)2). Les électrolytes polymères solides sont inflammables et en général plus sûrs que les électrolytes liquides organiques. Les techniques RMN innovantes ont révélé de nouvelles informations concernant le mode de diffusion des ions dans différents électrolytes polymères sur diverses échelles de temps et de longueur. Comprendre la nature électrochimique des matériaux pour batterie Li-ion à l'échelle atomique devrait aider les scientifiques dans leur quête d'une conception rationnelle et, par voie de conséquence, d'une amélioration conséquente des électrodes et électrolytes solides pour batterie Li-ion. Cela contribuera en retour à l'élaboration de la future carte mondiale de l'énergie et à la réduction de la dépendance aux combustibles fossiles, pour la santé de la planète.
Mots‑clés
Électrochimique, stockage d'énergie, Li-ion, batteries, supercondensateurs, NMR
