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 ? Des chimistes du CNRS , dans le cadre d’une collaboration avec une équipe du CEA-Liten , ont réussi à élucider ce paradoxe.

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.

Ces résultats, publiés dans le numéro d’août de 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 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, etc…).

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 deuxième 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, assure le CNRS.

Paradoxalement, ce matériau ne présente pas les propriétés de conduction ionique et électronique requises pour le fonctionnement de l'électrode.

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 ».

Des chimistes CNRS de l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB) ont réussi, pour la première fois, à interpréter ce paradoxe. En étudiant du phosphate de fer et de lithium, dans le cadre d’une collaboration avec une équipe du CEA-Liten, 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.

*Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux, ICMCB, (CNRS / Université de Bordeaux / ENSCPB).
**CEA-Liten : Laboratoire d’Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux.

Photo : © ICMCB (cette image est disponible auprès de la photothèque du CNRS, phototheque@cnrs-bellevue.fr)