Les lacunes d'oxygène transforment un mauvais conducteur ionique en un bon matériau pour les batteries
Amélioration du transport ionique mise en évidence par la combinaison de la conductivité et de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN)
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Le titanate de lithium (LTO, Li₄Ti₅O₁₂) est un matériau bien établi dans le domaine des batteries qui, à l’état vierge, est un mauvais conducteur d’ions lithium. Il ne développe une conductivité ionique élevée que pendant la charge, lorsque des ions lithium et des électrons supplémentaires sont incorporés dans le matériau. Bernhard Gadermaier et Martin Wilkening, de l’Institut de chimie et de technologie des matériaux de l’Université technique de Graz, ont désormais adopté une approche totalement différente : ils ont transformé du LTO pur, non lithié, dans sa composition d’origine (Li₄Ti₅O₁₂), en un bien meilleur conducteur ionique en introduisant délibérément des défauts dans le réseau cristallin. Plus précisément, ils ont retiré des atomes d’oxygène individuels, créant ainsi des lacunes d’oxygène qui activent une voie de migration pour les ions lithium auparavant bloquée. « Cette voie de diffusion est déjà préformée dans la structure de l’LTO, mais elle n’est activée que par la structure défectueuse », explique M. Wilkening. Les résultats de cette étude expérimentale ont été publiés dans la revue Science Advances.
L'oxygène (en rouge), le lithium (en bleu) et le titane (en gris) constituent ensemble la structure cristalline du titanate de lithium, un matériau utilisé dans les batteries.
ICTM - TU Graz
Chauffage dans une atmosphère pauvre en oxygène
Pour créer ces défauts dans le LTO, Gadermaier et Wilkening ont chauffé le titanate de lithium à 300 degrés Celsius dans une atmosphère pauvre en oxygène. « Ce processus de chauffage doux élimine des atomes d’oxygène individuels du réseau cristallin », explique Martin Wilkening. « Les lacunes d’oxygène ainsi créées ont une influence directe sur la mobilité des cations lithium et transforment ce qui était à l’origine un mauvais conducteur ionique en un conducteur nettement meilleur. L’exemple du LTO illustre clairement l’influence considérable que les structures de défauts à l’échelle atomique peuvent avoir sur les propriétés macroscopiques d’un matériau. »
Vérification expérimentale approfondie
Les chercheurs ont mis en évidence expérimentalement cette amélioration du transport ionique en combinant la spectroscopie de conductivité et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Les mesures RMN, en particulier, ont fourni une preuve expérimentale directe de la nouvelle voie de diffusion à l’échelle atomique ainsi activée.
« Notre étude expérimentale démontre que les propriétés d’un solide ne sont pas déterminées uniquement par sa composition chimique, mais aussi, dans une large mesure, par la structure locale de ses défauts et son historique thermique », explique Martin Wilkening. « Nous montrons comment la mobilité des petits cations lithium peut être contrôlée avec précision à l’aide des concepts classiques de la chimie des défauts anioniques. »
La recherche fondamentale, moteur de nouvelles fonctions des matériaux
« Ce travail est également un excellent exemple de la manière dont la recherche fondamentale, motivée par la curiosité scientifique et sans application immédiate en vue, peut déboucher sur des fonctions des matériaux entièrement nouvelles », explique M. Wilkening. « Le contrôle ciblé de la conductivité ionique par le biais de la chimie des défauts ouvre des perspectives d’avenir pour les dispositifs iontroniques, memristifs et neuromorphiques en micro- et nanoélectronique. »
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