Des chercheurs de l’Université TU Graz améliorent la conductivité du titane lithium par le forage de trous dans la maille cristalline
Des chercheurs de l’TU Graz ont trouvé un moyen d’augmenter considérablement la conductivité ionique du titane de lithium, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les matériaux d’anode des batteries. En introduisant délibérément des défauts dans la structure de réseau cristallin du matériau, ils ont « activé un chemin auparavant bloqué » pour les ions de lithium.
À côté du graphite, le titane de lithium (LTO) est un matériau d’anode largement utilisé dans les batteries. Cependant, dans son état non traité, il conduit mal les ions de lithium. Sa haute conductivité ionique ne se développe que lors du chargement de la batterie, lorsque des ions de lithium et des électrons supplémentaires sont intercalés dans le matériau.
Les chercheurs Bernhard Gadermaier et Martin Wilkening, de l’Institut de technologie chimique des matériaux de l’université TU Graz, ont réussi à transformer du LTO pur (« non lithié ») ayant sa composition originale Li4Ti5O12 en un conducteur ionique nettement supérieur, en utilisant une approche entièrement nouvelle. Ce duo y est parvenu en créant délibérément des « trous » dans la maille cristalline, connus sous le nom de vacances d’oxygène. « Lorsque des atomes d’oxygène individuels sont retirés de la maille cristalline, ces vacances ouvrent une voie de migration pour les ions qui était auparavant bloquée. Ce chemin de diffusion est déjà défini par la structure du LTO, mais il n’est activé que par la structure défectueuse », explique Wilkening. Les résultats de cette étude expérimentale ont été publiés dans la revue Science Advances.
Afin de créer des vacances dans le LTO, les chercheurs ont chauffé le titane lithium dans une atmosphère pauvre en oxygène à 300 degrés Celsius. « Ce chauffage doux permet d’éliminer les atomes d’oxygène individuels du réseau cristallin », poursuit Wilkening. « Les vacances anioniques qui en résultent dans le réseau cristallin influencent directement la mobilité des cations de lithium et transforment un conducteur ionique initialement médiocre en un conducteur nettement meilleur. L’exemple du LTO montre clairement l’impact considérable des structures de défauts atomiques sur la fonction macroscopique d’un matériau. »
Vérification expérimentale complexe
Les chercheurs ont démontré expérimentalement la conduction ionique rapide en utilisant une combinaison de spectroscopie de conductivité et de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Les mesures RMN ont fourni des preuves expérimentales directes du nouveau chemin de diffusion atomique activé.
« Notre étude expérimentale montre de manière impressionnante que les propriétés d’un solide ne sont pas déterminées uniquement par sa composition chimique, mais sont également fortement influencées par sa structure de défauts locaux et son histoire thermique », résume Martin Wilkening. « Nous démontrons comment la mobilité des petits cations de lithium peut être contrôlée avec précision à l’aide de concepts classiques en chimie des défauts anioniques. »
Cette recherche constitue également un exemple éclatant de la manière dont une recherche fondamentale motivée par la curiosité peut conduire à de nouvelles fonctionnalités matérielles, soulignent les chercheurs. « Le contrôle ciblé de la conductivité ionique grâce à la chimie des défauts ouvre de grandes perspectives pour les composants ionotroniques, mémoirestiques et neuromorphes dans la micro- et nanélectronique. »