Les matériaux riches en lithium : dépasser les frontières pour de nouvelles générations de batteries

Avec la forte croissance de la mobilité électrique, les batteries au lithium voient leur demande augmenter, et une course mondiale est engagée pour produire les batteries les plus performantes afin d’étendre l’autonomie de ces véhicules.

Les réactions chimiques au sein des batteries mettent en jeu un transfert d’électrons à partir de cations (chargés positivement) ou d’anions (chargés négativement). Ce dernier cas, appelé « redox anionique », continue de mobiliser les équipes de recherche du RS2E. L’enjeu est de taille : une bonne maîtrise de ce phénomène ouvrirait la voie à des batteries au lithium à plus hautes densités d’énergie, et leur autonomie pourrait ainsi augmenter de 20 %.

Si les efforts pour développer des batteries plus performantes utilisant le redox anionique se multiplient, les scientifiques se heurtent encore à plusieurs blocages. Les batteries développées sur ce principe présentent des chutes de tension importantes, une cinétique lente et une hystérésis de tension importante, c’est-à-dire qu'une partie de l’énergie du système est perdue par dissipation thermique.

Pour comprendre l’origine de ces limitations et tenter de les contourner, une équipe internationale dirigée par le professeur Jean-Marie Tarascon, du Laboratoire de chimie du solide et de l’énergie du Collège de France, a poursuivi son voyage scientifique fondamental sur le matériau le plus convoité en termes d’applications, à savoir le « NMC riche en lithium » (de formule Li_1,2Co_0,13Mn_0,54Co_0,13O₂). Leurs travaux, publiés dans la revue Nature Materials, soulignent que le nickel (Ni) et le cobalt (Co) à l’intérieur de ces matériaux facilitent le transfert d’électrons dans le processus redox anionique (ils jouent un rôle de pontage), mais conduisent à des performances très différentes en raison de leurs natures distinctes.

Pour comprendre le rôle de chacun de ces métaux, l’astuce a consisté à décomposer un matériau NMC riche en lithium en deux composés (Li_1,2Ni_0,2Mn_0,6O₂ et Li_1,2Co_0,4Mn_0,4O₂), qui ont ainsi pu être étudiés séparément. Une analyse approfondie combinant la spectroscopie d'absorption des rayons X et la microscopie électronique à transmission a révélé que le cobalt est meilleur dans la médiation du transfert d’électrons du redox anionique, mais qu’il déclenche une migration des métaux plus importante que le nickel, ce qui entraîne une dégradation plus rapide des performances du matériau et le phénomène d’hystérésis. La présence de cobalt reste toutefois importante et une synergie entre le cobalt et le nickel a été mise en évidence en faveur de la performance des batteries.

Une voie d’optimisation peut ainsi être explorée pour optimiser la composition des NMC riches en lithium en réduisant la présence de cobalt au profit du nickel, afin d’améliorer les performances de ces batteries de nouvelle génération pour les véhicules électriques de demain.

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