Vers la mise au point de futures batteries à stockage énergétique, sûres et efficaces

Ces dix dernières années, l’intérêt suscité par les conducteurs dits supérioniques s’est amplifié, avec une véritable explosion de la recherche de pointe portée sur les matériaux haute performance pour batteries. Une étude récente de l’ILL s’est penchée sur deux composés principaux, Li3YCl6 et Li3YBr6. En effet, ces deux composés, identifiés comme prometteurs dans des études précédentes du fait de leur haute performance et de leur bonne stabilité électrochimique, sont des candidats parfaits aussi bien pour les composites des cathodes que les séparateurs côté anode des batteries. Ce sont des électrolytes solides, qui remplacent l'electrolyte liquide dans une batterie tout solide, la rendant ainsi plus sûre.
Les recherches ont démontré qu’à la promesse propre au Li3YCl6 et au Li3YBr6, se rajoute le fait que leurs éléments constitutifs sont substituables, ouvrant plus loin encore le potentiel d’amélioration de leur performance électrochimique.

En outre, la substitution d’éléments permet aux scientifiques d’explorer des pistes d’amélioration de la stabilité et de la performance des matériaux étudiés en modifiant précisément leurs propriétés. Ne différant que par la présence d’un anion, ces deux matériaux sont, à premier abord, très proches. Cependant, l’étude a montré que leurs propriétés et leurs structures sont très différentes. En substituant les éléments dans un composé, les chercheurs peuvent identifier les itérations qui optimisent la mobilité ionique avec le minimum d’inconvénients. 

Pour l’heure, ces matériaux ne sont pas utilisés à des fins commerciales. Cependant l’exploration de ces composés est fondamentale pour appréhender leur potentiel, et une meilleure compréhension de leurs propriétés électrochimiques indispensable pour ouvrir la voie à des batteries plus sûres à l'avenir. Les enseignements de cette recherche préparent le terrain pour de futures percées, l’analyse des propriétés et de la structure des composés de lithium permettant de choisir de façon éclairée des composants de batteries en maximisant durabilité, rentabilité et fiabilité. Grâce à ces études, il sera possible d’optimiser la structure et les composés afin de maximiser le rendement et de minimiser la densité relative des terres rares à l’extraction si onéreuse. 

Les techniques de diffraction neutroniques de l’ILL sont parfaitement adaptées à l’analyse de matériaux contenant des éléments légers comme le lithium, les éléments légers n’ayant pas une densité électronique suffisante dans leurs atomes pour être décelés par la diffraction à rayons X. Par ailleurs, la diffraction neutronique fournit une image très détaillée des structures atomiques cristallines de ce composé inorganique. 
Les découvertes faites à l’ILL ont invalidé les structures cristallines proposées auparavant pour ces matériaux et les hypothèses scientifiques reconnues concernant les pistes d’amélioration de leur performance. Il a également été envisagé que ces types de matériaux soient moins sujets à la dégradation dans l’eau. Cependant, cette hypothèse n’a pas été validée par les expériences menées. 

L’exploration des matériaux de demain est l’une des principales utilisations des installations de l’ILL. Son flux neutronique, le plus puissant au monde, et ses appareils de mesure de pointe font de l’ILL un lieu unique pour ce type d’expérience. Le développement des batteries de demain, afin de réduire les coûts énergétiques et de mettre au point des solutions durables à nos défis climatiques - ne peut être correctement conduit sans une analyse scientifique rigoureuse. La description plus précise des structures cristallographiques permet ainsi une caractérisation fiable des matériaux qui serviront à l’innovation des batteries.