Une étude de l'Université nationale de Hanbat montre que le désordre cationique pourrait améliorer les cathodes riches en lithium
Des expériences montrent qu'une structure désordonnée favorise le transport du lithium tout en empêchant la dégradation des performances
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Les matériaux de cathode riches en lithium constituent des candidats prometteurs pour les batteries de nouvelle génération, car ils peuvent stocker une quantité d’énergie nettement supérieure à celle des matériaux utilisés aujourd’hui dans les véhicules électriques et les appareils électroniques. La capacité de la cathode étant un facteur déterminant de la quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker, les matériaux riches en lithium pourraient à terme permettre de développer des batteries à plus haute densité énergétique, offrant ainsi aux téléphones, ordinateurs portables et véhicules électriques une autonomie accrue sur une seule charge.
Cependant, les cathodes riches en lithium sont confrontées à un problème de longue date. Lors de la charge et de la décharge, les ions de métaux de transition, tels que le nickel et le manganèse, peuvent s’éloigner de leurs positions d’origine dans la structure cristalline. Ces ions migrateurs peuvent obstruer les voies que les ions lithium doivent emprunter, ralentissant ainsi le mouvement du lithium et contribuant à une perte de performance irréversible au fil des cycles répétés. Les scientifiques ont principalement tenté de résoudre ce problème en préservant une structure cristalline ordonnée dans la cathode, partant du principe qu’un agencement ordonné offrirait au lithium un chemin plus dégagé pour se déplacer. Mais et si l’approche inverse s’avérait plus efficace ?
Dans une étude récente publiée dans *Energy Storage Materials*, une équipe de recherche dirigée par le professeur Kyojin Ku, du département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’université nationale de Hanbat, en Corée, s’est penchée sur cette question en perturbant intentionnellement la structure atomique d’une cathode riche en lithium. Leurs travaux ont été mis en ligne le 18 juillet 2026 et ont été publiés dans le volume 90 de la revue le 1er août 2026.
L’équipe s’est intéressée au Li1,2Ni0,4Mn0,4O₂, une composition à base de nickel et de manganèse qui évite le recours à des métaux coûteux comme le cobalt. Cette composition particulière forme normalement une structure en couches bien ordonnées, où les ions lithium et les ions de métaux de transition (nickel et manganèse) occupent des plans distincts. Pour obtenir la forme désordonnée souhaitée, les chercheurs ont eu recours à un broyage à billes à haute énergie à partir de deux matériaux de départ stratifiés et structurellement compatibles. Ce procédé mécanochimique a perturbé la disposition des cations, donnant lieu à une structure cristalline dans laquelle les ions lithium et les ions de métaux de transition sont répartis de manière plus aléatoire. « À notre connaissance, c’est la première fois que ce type de composition est obtenu sous forme désordonnée », remarque le professeur Ku.
En comparant le matériau désordonné à son homologue ordonné, les chercheurs ont constaté que la version désordonnée présentait un comportement de charge-décharge plus symétrique, offrait une capacité supérieure et affichait de meilleures performances sous des courants élevés. De plus, elle a fait preuve d’un fonctionnement stable, conservant environ 90 % de sa capacité initiale après 50 cycles sans baisse de tension.
Une analyse théorique et computationnelle détaillée a permis d’expliquer les améliorations observées. «En brouillant délibérément les atomes pour leur donner une disposition désordonnée de type « sel de roche », nous avons découplé le mouvement du lithium de celui, néfaste, des métaux de transition », explique le professeur Ku. « Le lithium circule toujours efficacement à travers un réseau connecté de voies ouvertes, tandis que les métaux de transition sont en quelque sorte immobilisés et ne peuvent plus bloquer ces voies. »
Dans l’ensemble, ces résultats mettent en avant une approche innovante et prometteuse pour le développement de cathodes à plus haute densité énergétique. « Nous avons démontré que le désordre cationique peut être utilisé comme un outil d’ingénierie délibéré pour résoudre un problème qui a freiné pendant des années toute une famille de matériaux de batterie à haute énergie », conclut le professeur Ku. « Si ce principe est développé davantage, il pourrait contribuer à rapprocher les cathodes riches en lithium d’une véritable utilisation commerciale, ouvrant ainsi la voie à des batteries plus durables pour les véhicules électriques et le stockage d’énergie. »
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