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Dans le cadre d'une collaboration avec le Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (CEA-LITEN) de Grenoble, des chimistes ont enfin réussi à comprendre pourquoi le phosphate de fer et de lithium conduit le courant alors que ce matériau est isolant. Leurs résultats, publiés dans la revue scientifique Nature Materials, ouvrent de nouvelles perspectives dans la conception des batteries qui équiperont les voitures électriques de demain.

Les batteries lithium-ion permettant de stocker trois à quatre fois plus d'énergie par unité de masse que les batteries classiques ont envahi le marché des systèmes nomades (ordinateurs, téléphones portables, baladeurs, etc...). Cependant, malgré leurs performances excellentes, ces batteries ont un coût trop élevé pour pouvoir être utilisées dans les véhicules électriques et les véhicules hybrides de deuxième génération.

Pour ce genre d'utilisation, les scientifiques orientent leurs recherches sur un autre matériau, le phosphate de fer et de lithium, qui a l'avantage d'être écologique, peu coûteux, stable thermiquement mais qui paradoxalement ne présente pas les propriétés de conduction ionique et électronique requises pour le fonctionnement de l'électrode. Alors comment peut-il conduire le courant ?

Des chimistes de l'Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux en collaboration avec le Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux de Grenoble, ont montré que les cycles de charge et décharge de la batterie sont possibles grâce au « domino cascade processus ». Ce phénomène se manifeste dès lors qu'il existe des contraintes à l'interface entre le matériau qui se décharge et le matériau à l'état déchargé. La conduction électronique et ionique, extrêmement rapide, se propage de proche en proche, tels des dominos, au fur et à mesure que l'interface se déplace. Ce processus de réaction permet d'expliquer pourquoi deux matériaux isolants (matériau à l'état chargé et déchargé) peuvent quand même faire fonctionner des batteries lithium-ion.

Ce résultat constitue une avancée importante pour la recherche de nouveaux matériaux d'électrodes plus sûrs et à bas coût pour les futures batteries au lithium. Ces travaux ont également permis de mieux comprendre le fonctionnement, à une échelle nanométrique, des batteries à base de phosphate de fer et de lithium, qui sont amenées à équiper les voitures hybrides et électriques de demain.

  Pour en savoir plus :
C. Delmas, M. Maccario, L. Croguennec, F. Le Cras, F. Weill, (2008). Lithium deintercalation in LiFePO4 nanoparticles via a domino-cascade model, Nature Materials, Vol. 7, pp. 665 - 671.