Vers l’utilisation d’halogénures dans les batteries Li-ion

Lors des dernières décennies, les batteries à ion lithium (Li-ion) se sont imposées comme la technologie phare pour le stockage de l’énergie. Leur principe de fonctionnement repose notamment sur l’intercalation d’ions lithium dans des matériaux qui composent les électrodes de la batterie (positive = cathode, négative = anode).

Cette technologie mature est le résultat de recherches frénétiques débutées dans les années 90 pour trouver des matériaux de cathodes toujours plus performants. Ces recherches ont abouti à la découvertes d’oxydes lamellaires ou de matériaux dits polyanioniques utilisés aujourd’hui dans les dispositifs commerciaux.

Pourtant, d’autres familles de composés d’intercalation présentent en théorie des caractéristiques prometteuses. C’est le cas par exemple des halogénures lamellaires, qui présentent une structure géométrique similaire à celle des oxydes lamellaires déjà employés dans les batteries Li-ion. Malheureusement, la solubilité trop importante des halogénures dans les électrolytes habituellement utilisés dans les batteries Li-ion a, jusque-là, découragé les recherches sur ces matériaux.

Une équipe internationale coordonnée par Alexis Grimaud, chargé de recherche au CNRS, a montré qu’il était possible de dépasser cette limitation en couplant l’utilisation d’halogénures lamellaires avec l’utilisation d’électrolytes superconcentrés. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials.

Jusqu’à maintenant les électrolytes habituellement utilisés dans les batteries Li-ion ont été optimisés pour les oxydes lamellaires et les matériaux polyanioniques. Ils n’étaient pas pensés pour les halogénures, d’où les problèmes de solubilité. Or, le recours à des électrolytes superconcentrés permet justement de résoudre cette limitation, et donc d’augmenter les performances de ces nouveaux matériaux. Les chercheurs ont montré que cette amélioration s’explique par des raisons thermodynamiques et non pas cinétiques. Autrement dit, seule une infime fraction des matériaux utilisés va se dissoudre dans l’électrolyte, même à des temps très longs. Cette propriété remarquable permet donc d’assembler des dispositifs électrochimiques stables dans le temps.

Afin de tester cette nouvelle approche, l’équipe de recherche a étudié le comportement électrochimique de trois halogénures différents, à savoir VCl₃, VBr₃ et VI₃. Les résultats confirment qu’un ion Li⁺ par unité peut s’intercaler réversiblement dans ces matériaux. Bien que prometteuse, cette preuve de concept prometteuse devra être complétée par d’autres études se focalisant sur la recherche de nouveaux halogénures aux propriétés intéressantes pour des dispositifs pratiques. Néanmoins, la combinaison halogénures/électrolytes superconcentrés ouvre des perspectives pour exploiter un nouveau pan du tableau périodique dans le cadre de la réalisation de matériaux pour le stockage électrochimique de l’énergie.