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Des matériaux nanostructurés pour les piles au lithium

Pour améliorer les performances électrochimiques des piles Li-ion (lithium-ion), l'une des méthodes les plus attrayantes et la mise au point de matériaux nanostructurés. Récemment, des travaux intensifs ont été consacrés à l'étude des avantages de matériaux nanostructurés capables de conduire le lithium.
Des matériaux nanostructurés pour les piles au lithium
Diverses nouvelles configurations de piles ont été proposées pour augmenter la densité d'énergie des piles Li-ion. Ces nouvelles configurations ont plusieurs points communs. L'anode utilise du lithium métal pur, afin d'optimiser la densité d'énergie. Le catholyte est une solution aqueuse, économique, très fiable et qui transporte très rapidement les ions.

L'usage d'électrolytes solides est limité par le fait que leur conductivité n'est suffisante qu'au-dessus de 50 degrés Celsius. Elle reste néanmoins inférieure d'un ordre de magnitude à celles des électrolytes liquides. Pour rectifier cette situation, des scientifiques se sont intéressés à des matériaux nanostructurés et conducteurs d'ions lithium.

Les chimistes, les physiciens et les ingénieurs en science des matériaux du projet NANOLICOM (Nanostructured lithium conducting materials), financé par l'UE, ont étudié les effets de la taille des grains et de l'état cristallin sur le transport des ions dans ces matériaux. Les travaux ont été accomplis dans le cadre d'un programme d'échange entre l'UE et l'Ukraine.

La première étape a été d'explorer différentes voies de synthèse des nanopoudres, avec une taille de grains variant de 10 à 500 nm. Les chercheurs ont envisagé plusieurs processus de chimie douce, comme la méthode de complexe polymérisable in situ. Ils ont conduit de nombreuses expériences afin de déterminer les meilleurs paramètres pour synthétiser des nanoparticules pures et bien cristallisées.

En outre, les chercheurs ont fabriqué des couches minces de nanomatériaux conducteurs de lithium, à l'aide de techniques de revêtement par centrifugation et de dépôt par pulvérisation magnétron à fréquences radio. Ils ont aussi utilisé diverses techniques de frittage pour préparer des céramiques denses tout en préservant la nanostructure des poudres, l'équipe a utilisé les techniques de frittage comme le frittage à basse température, le frittage par flash et le frittage par plasma à étincelle (ou par procédé SPS).

En particulier, cette dernière méthode de densification réduit la conductivité des céramiques par rapport aux autres méthodes, car elle augmente le volume des limites des grains. Les chercheurs ont étudié les principaux facteurs influençant la conductivité de céramiques ou de couches minces de pérovskites, de matériaux de type Nasicon et d'oxynitrures de phosphore-lithium, obtenant de nombreux résultats intéressants.

Les partenaires de NANOLICOM ont décrit leurs travaux dans des articles ainsi que via des présentations orales lors de conférences internationales. Ces travaux ont apporté des informations très utiles sur les relations entre les structures de solides ioniques et les propriétés physiques, ce qui facilitera la conception rationnelle de dispositifs de conversion et de stockage d'énergie électrochimique.

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Mots-clés

Matériaux nanostructurés, lithium-ion, Li-ion, matériaux conducteurs, densité d'énergie