L'Université de Nagoya au Japon établit un record de conductivité de 16,3 mS/cm pour un électrolyte à base d'oxyfluorure

fr.wedoany.com Rapport : L'équipe du professeur associé Takeshi Yajima de l'Institut de conception des matériaux et d'ingénierie de l'innovation (Institut für Materialdesign und Innovationsingenieurwesen, Universität Nagoya) de l'Université de Nagoya au Japon a élucidé le mécanisme de haute conductivité de l'électrolyte solide à base d'oxyfluorure LLNOF. En modifiant les proportions de lithium, de lanthane et de lacunes dans le matériau, la conductivité ionique volumique du lithium de ce matériau a atteint 16,3 millisiemens par centimètre, soit la valeur la plus élevée jamais mesurée pour un électrolyte solide à base d'oxyde.

Lors de l'enregistrement des vols, les passagers sont systématiquement invités à confirmer que leurs bagages enregistrés ne contiennent ni chargeurs portables ni batteries externes. La raison en est que les batteries lithium-ion utilisées dans ces appareils transportent les ions lithium entre les électrodes via un électrolyte liquide inflammable ; si la batterie est endommagée, l'électrolyte liquide peut provoquer un incendie. Remplacer l'électrolyte liquide par un électrolyte solide est l'une des pistes de recherche pour réduire ces risques, dont la difficulté réside dans l'amélioration de la conductivité ionique, c'est-à-dire la fluidité avec laquelle les ions lithium migrent dans l'électrolyte solide.

Actuellement, certains électrolytes solides à haute conductivité utilisent des matériaux à base de sulfures ou de chlorures, dont la conductivité provient de la déformation du nuage électronique autour des anions lorsque les ions lithium traversent le matériau. Cependant, ces matériaux libèrent des gaz toxiques tels que le sulfure d'hydrogène ou le chlorure d'hydrogène au contact de l'humidité. En comparaison, les oxydes et les oxyfluorures sont plus robustes et présentent une stabilité électrochimique plus élevée en tant qu'électrolytes, capables de supporter les fluctuations de tension répétées lors des cycles de charge et de décharge, mais leur conductivité est généralement plus faible. Yajima avait résumé ce paradoxe ainsi : les oxyfluorures sont plus sûrs mais ont une faible conductivité, tandis que les sulfures ont une conductivité élevée mais présentent des dangers.

En 2024, un cristal d'oxyfluorure de formule chimique Li₂–xLa(1+x)/3Nb₂O₆F (abrégé LLNOF) a été découvert, avec une conductivité de 7 millisiemens par centimètre, comparable à celle des électrolytes liquides. Ce résultat ne pouvait pas être expliqué à l'époque par les mécanismes connus : le nuage électronique autour des ions fluorure centraux du LLNOF ne se déforme pas aussi facilement que celui des sulfures ou des chlorures. L'équipe de Yajima a ensuite cultivé elle-même des monocristaux de LLNOF de haute qualité ; il précise que cette étape a pris plus d'un an, la qualité cristalline devant être suffisamment élevée pour permettre l'analyse structurale.

L'équipe a utilisé la méthode de Bridgman pour faire croître des monocristaux de LLNOF de taille millimétrique et a déterminé, par diffraction sur monocristal, l'arrangement local et le réarrangement des atomes dans la maille élémentaire. Les résultats montrent que quatre sites atomiques entourent l'ion fluorure central, disposés en tétraèdre, chaque site pouvant accueillir un ion lithium, un atome de lanthane ou être vacant. À chaque fois qu'un ion lithium saute vers une lacune voisine, l'ion fluorure central se déplace légèrement vers la position qu'occupait initialement l'ion lithium, effectuant en quelque sorte un mouvement d'« esquive », ce qui abaisse la barrière d'énergie que l'ion lithium doit franchir pour le saut. Par rapport aux oxyfluorures dont le squelette reste rigide, ce mécanisme dynamique confère au LLNOF une conductivité ionique du lithium plus élevée.

Les chercheurs ont ensuite optimisé la composition en modifiant les proportions relatives de lithium, de lanthane et de lacunes dans le LLNOF (c'est-à-dire le x dans la formule chimique), et ont constaté que plus x est petit, plus la conductivité est élevée, aboutissant finalement à une conductivité ionique volumique du lithium de 16,3 millisiemens par centimètre. Ce résultat a été publié dans le Journal of the American Chemical Society. Yajima estime que ce mécanisme, qui ne repose pas sur des ions hautement polarisables, pourrait être utilisé pour développer des électrolytes solides à base d'oxyde plus efficaces ; l'opinion générale du secteur était auparavant que les matériaux à base de sulfures seraient de meilleurs conducteurs en raison des caractéristiques de leurs anions, et ce mécanisme remet en cause ce point de vue. L'équipe de recherche indique que ce résultat fait progresser les batteries lithium-ion à électrolyte solide vers une application pratique.