CEA/CNRS : des batteries au lithium performantes pour autos électriques

Les batteries lithium-ion sont au coeur de la recherche. Dans le cadre d’une collaboration avec une équipe du CEA-Liten (Laboratoire d’Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux), des chimistes du CNRS de l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) se sont posés la question suivante : 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 ? Ils sont parvenus à élucider ce paradoxe. D'après le CEA et le CNRS, leur modèle "Domino cascade processus" vérifié expérimentalement montre que des contraintes locales au sein du matériau permettent une conduction électronique et ionique se propageant de proche en proche et assurant ainsi le fonctionnement de la batterie : leurs résultats (publiés dans "Nature Materials") ouvrent des perspectives nouvelles pour la recherche de nouveaux matériaux d’électrodes pour les batteries et permettent de comprendre le fonctionnement des batteries des voitures électriques de demain.

Les scientifiques expliquent le fonctionnement

Le CEA et le CNRS mettent en avant que les batteries lithium-ion, permettant de stocker trois à quatre fois plus d'énergie par unité de masse que les batteries classiques, ont envahi le marché des systèmes nomades (ordinateurs, téléphones portables, baladeurs…). 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 2e 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, 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 du CNRS ont alors réussi, pour la première fois, à interpréter ce paradoxe. En étudiant du phosphate de fer et de lithium, 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 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 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 qui balaierait le cristal, 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.

(Les nanoparticules de phosphate de fer et de lithium (100 nm) constituant l’agglomérat sont transformés individuellement durant la charge de la batterie via le "domino cascade processus".)

(Source : CEA/CNRS Photo : ICMCB)