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Electrolyse : vers une nouvelle génération de matériaux pour les batteries

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Téléphones portables, assistants personnels, appareils photo numériques : les batteries doivent être de plus en plus petites et toujours plus performantes. Or, les techniques actuelles font appel à des matériaux dits d'insertion électrochimique datant des années 1970, pour lesquels les capacités d'amélioration se restreignent. D'où l'intérêt de la découverte de deux équipes du CNRS : l'association des matériaux d'insertions avec des matériaux de conversion pour obtenir une nouvelle génération de batteries. En fait, le processus électrochimique de conversion n'est pas récent. Mais comme il n'est pas réversible, il aboutirait à une batterie non rechargeable ­ sans intérêt pour les téléphones portables et autres appareils autonomes. Pour mémoire, les générateurs électrochimiques associent trois parties : l'anode, la cathode et l'électrolyte. L'anode est le lieu de la réaction d'oxydation. Par exemple, dans les batteries au lithium ­ pour simplifier ­ il se forme un couple électron-cation lithium. L'électron se retrouve à la cathode où il réduit un cation métallique. La compensation de cet excès de charge négative est assurée par l'arrivée du cation Li + au sein de cette même électrode. « Il existe alors deux possibilités selon le type de matériau utilisé. Le plus ancien correspond à des composés dits d'insertion, constitués d'un "réseau hôte" de type oxyde de métal de transition partiellement réduit par l'électron et présentant des cavités dans lesquelles le cation Li + peut se loger sans altération importante de la structure. Le deuxième, associé au processus de conversion, correspond à un composé dans lequel un des cations métalliques est réduit à l'état de métal et remplacé par le lithium. Or nos travaux montrent que ces deux phénomènes peuvent coexister », explique Patrick Rozier, maître de conférence à l'université Paul Sabatier et chercheur au Groupe chimie des matériaux inorganiques du Cemes à Toulouse. Le matériau utilisé par les chercheurs est constitué d'un réseau hôte de type oxyde de vanadium comportant des cations de cuivre. Les études cristallochimiques associées aux essais de fonctionnement en électrochimie ont montré que ces cations subissent au cours de la réaction le phénomène de conversion. Remplacés par les cations Li+, ils sont expulsés de la structure. Cela entraîne la croissance de filaments de cuivre métallique au cours de la réaction. Une fois le cuivre réduit, une réaction de type insertion prend le relais, associée à la réduction du vanadium. La particularité du matériau réside dans l'excellente réversibilité de ces phénomènes. « En collaboration avec Mathieu Morcrette de l'unité de prototypage des batteries au lithium créée par le CNRS à l'université d'Amiens, nous avons cherché à comprendre les différentes étapes du mécanisme. Il apparaît que la structure particulière de ce composé présente des feuillets doués d'une certaine flexibilité. Associée aux particularités de comportement du cuivre, cette caractéristique semble être à l'origine de cette réversibilité. Des études complémentaires nous ont permis de confirmer que la flexibilité de réseau est un des points essentiels gouvernant la réversibilité de ce type de phénomènes » résume le chercheur. Pour approfondir leur compréhension du phénomène, ces chercheurs ont étudié d'autres composés. Objectif : déterminer les paramètres de la flexibilité de réseau. Car si cet oxyde conviendrait techniquement pour élaborer une nouvelle génération de batteries, il n'est malheureusement pas compétitif économiquement. « De fait, cet oxyde de vanadium et cuivre est un composé modèle pour étudier ces nouveaux processus électrochimiques ouvrant la voie à une nouvelle génération de matériaux dont le développement devra permettre de franchir les limites actuelles en termes de performances », conclut Patrick Rozier. La technique est d'ailleurs suffisamment novatrice pour que des industriels commencent à approcher les laboratoires du CNRS.

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