Des chercheurs de l’TU Graz perforent la maille cristalline du lithium-titane.
Des chercheurs de l’TU Graz ont trouvé un moyen d’améliorer considérablement la conductivité ionique du lithium titanate. Dans des expériences, ils ont pu démontrer que des défauts créés de manière ciblée dans la structure cristalline « activent une voie de transport des ions lithium jusqu’alors bloquée ». Il s’agit cependant encore de recherches fondamentales classiques.
Le lithium titanate (LTO) est, avec le graphite, un matériau d’anode fréquemment utilisé dans les batteries. Cependant, il ne conduit que mal les ions lithium à l’état non traité. Sa haute conductivité ionique ne se développe que lors du chargement d’une batterie, lorsque des ions lithium et des électrons supplémentaires sont stockés dans le matériau.
Les deux chercheurs Bernhard Gadermaier et Martin Wilkening, de l’Institut pour la technologie chimique des matériaux de l’université technique de Graz, ont maintenant réussi à transformer du LTO pur (« non lithié ») ayant la composition originale Li4Ti5O12 en un meilleur conducteur d’ions par une méthode complètement différente : le duo affirme avoir créé délibérément des « trous » dans la structure cristalline, des défauts d’oxygène. « Lorsque des atomes d’oxygène individuels sont retirés de la structure cristalline, ces espaces vides apparaissent, libérant ainsi un chemin de migration jusqu’alors bloqué pour les ions. Ce chemin de diffusion est déjà préexistant dans le matériau grâce à la structure du LTO, mais il n’est activé que par la structure des défauts », explique Wilkening. Les résultats de cette étude expérimentale ont été publiés dans la revue spécialisée « Science Advances ».
Afin de créer des défauts dans le LTO, les chercheurs ont chauffé le lithium-titane dans une atmosphère pauvre en oxygène à 300 degrés Celsius. « Grâce à ce chauffage doux, des atomes d’oxygène individuels sont retirés du réseau cristallin », poursuit Wilkening. « Les défauts anioniques qui en résultent dans le réseau cristallin ont un impact direct sur les possibilités de mouvement des cations de lithium, transformant ainsi un conducteur ionique initialement médiocre en un conducteur nettement meilleur. L’exemple du LTO montre de manière particulièrement évidente l’influence enorme des structures de défauts atomiques sur la fonction macroscopique d’un matériau. »
Démonstration expérimentale complexe
Les chercheurs ont pu démontrer expérimentalement la rapide conduction ionique en combinant la spectroscopie de conductivité et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Les mesures RMN ont permis de fournir la preuve expérimentale directe du nouveau chemin de diffusion atomique activé.
« Notre étude expérimentale montre de manière convaincante que les propriétés d’un solide ne sont pas déterminées uniquement par sa composition chimique, mais aussi, dans une mesure décisive, par sa structure locale de défauts et son histoire thermique », résume Martin Wilkening. « Nous montrons comment, à l’aide des concepts classiques de la chimie des défauts anioniques, on peut contrôler de manière ciblée la mobilité des petits cations de lithium. »
« Ce travail constitue en même temps un exemple par excellence de la manière dont la recherche fondamentale sans finalité pratique donne naissance à de nouvelles fonctions matérielles », affirment les chercheurs. Et encore : « La régulation ciblée de la conductivité ionique grâce à la chimie des défauts ouvre à long terme des perspectives pour des composants ionotroniques, mémoirestifs et neuromorphes dans la micro- et nanélectronique. »