Un nouveau matériau pour batteries Li-ion fonctionnant à 3,9 volts

Le respect de l’environnement et les questions de réduction de rejet de gaz carbonique placent les batteries comme une alternative très prometteuse quant au stockage de l’énergie. Les batteries « lithium-ion » sont omniprésentes dans tous les appareils d’électronique  grand public, et sont aussi perçues comme le meilleur choix pour le développement de véhicules électriques ou hybrides. La recherche de matériaux pour cathode toujours plus performants (non polluants, de faible coût, présentant un voltage élevé, une capacité et une cyclabilité satisfaisantes), représente donc un enjeu considérable, tant économique que sociétal.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Picardie, en collaboration avec l’IMPMC, a découvert un matériau de cathode susceptible de remplacer LiFePO4, qui est actuellement le composé pressenti pour les batteries de véhicule électrique. Ce composé polyanionique, obtenu en remplaçant 5% des atomes de fer par des atomes de manganèse dans LiFeSO4F, présente un potentiel de 450 mV supérieur à celui présenté par LiFePO4. Ceci constitue le potentiel le plus haut jamais reporté pour un composé à base de fer. La structure de ce fluorosulfate, révélée par diffraction de rayons X effectuée sur source Synchrotron, indique que ce nouveau composé présente une structure « triplite ». Cette structure permet d’accommoder des mouvements d’ions lithium qui se désinsèrent  et se réinsèrent lors de la charge et de la décharge de la batterie.  D’autre part, le composé chargé (duquel on a enlevé des ions lithium), présente un volume seulement 0.6% plus petit que le composé pristine, permettant d’espérer de bonnes capacité de cyclage lorsque  le matériau de cathode sera optimisé. Ce travail, publié dans la revue Nature Materials en septembre 2011, ouvre la voie vers de nouveaux composés pour batteries lithium-ion. La même équipe a montré que substituer LiFeSO4F par du zinc (au lieu du manganèse) permet aussi d’obtenir le composé à structure triplite présentant un plateau à 3,9V.

Références :
A 3.90 V Fe-based fluorosulphate material for Li-ion batteries crystallizing in the triplite structure
P. Barpanda, M. Ati, B. C. Melot, G. Rousse, J. N. Chotard, M.-L. Doublet, M. T. Sougrati, S. A. Corr, J. C. Jumas and J. M. Tarascon
Nature Materials, 10(10), p772-779 (2011)

Structural and Electrochemical Diversity in the LiFe1-xZnxSO4F solid solution: a Fe-based positive electrode material
M. Ati, B. C. Melot, G. Rousse, J-N. Chotard, P Barpanda,  and J-M. Tarascon
Angewandte Chemie-International Edition 50(45): 10574-10577