Une nouvelle lumière sur les matériaux de cathode pour les batteries de prochaine génération
La structure cristalline des phosphates de lithium-ion de type olivine est très stable, ce qui leur confère une excellente stabilité thermique, même à haute température. Les autres avantages commerciaux majeurs sont l'absence de problèmes de sécurité tels que la surchauffe et l'explosion, ainsi que des durées de vie plus longues et des densités de puissance plus élevées. L'intérêt dans les phosphates de type olivine a également été ravivé par la découverte récente de domaines ferrotoroïdiques inhabituels qui pourraient s'avérer cruciaux pour accélérer le stockage de données. Les cristaux uniques de cette catégorie prometteuse de matériaux sont extrêmement rares, principalement à cause de la forte volatilité du lithium. Dans le cadre du projet LICRYSTG (Single-crystalline lithium-based model systems of future materials for electrochemical energy storage and data storage), des scientifiques ont fourni certains des cristaux uniques manquants, ainsi que des données expérimentales qui permettent de mieux comprendre ce qui en fait des matériaux de cathodes de prochaine génération. L'équipe a réussi à cultiver des cristaux uniques de haute qualité de différents composés de lithium pour étudier plus en profondeur l'anisotropie et la ferrotoroïdicité. La diffusion anisotrope du lithium dans les différentes directions cristallographiques peut permettre de développer des modèles théoriques sur les performances et le vieillissement des batteries. Une technique de la zone flottante à base de solvant par déplacement a permis une croissance monocristal de systèmes à base de lithium sous une pression externe de 150 bars. Le travail des chercheurs sur le désordre local induit par le manganèse dans les phosphates de lithium-manganèse a montré pourquoi l'olivine à base de manganèse présente des propriétés électrochimiques relativement faibles. Des études d'expansion thermique et de magnétostriction ont fourni des informations sur les modifications structurelles et le couplage magnéto-élastique. Ces données ont été soutenues par des études spécifiques de chaleur et de magnétisation qui ont fourni des informations supplémentaires sur la qualité et les propriétés électroniques des cristaux. De plus, l'équipe a fourni des diagrammes de phase magnétique. Pour certains cristaux, les paramètres de la diffusion de lithium anisotrope le long des principaux axes cristallographiques ont été déterminés. Les études de spectroscopie sur le phosphate de lithium cobalt ont fourni des informations sur l'ordre magnétique à courte portée à haute température. Les résultats du projet fournissent des informations utiles pour optimiser et adapter des matériaux de batterie lithium-ion nano- et micro-structurés, ce qui aidera l'Europe à devenir leader dans les technologies de batterie de pointe.
Mots‑clés
Cathode, batteries, olivine, phosphate de lithium-ion, cristaux uniques, diffusion de lithium
