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Batteries lithium-ion : des nanoparticules pour plus de performance

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Des chercheurs français ont mis au point une stratégie efficace et écologique pour stocker de l'énergie. Ils ont en effet réussi à synthétiser des nanoparticules de dioxyde d'étain au sein des pores d'un matériau carboné. Testé comme électrode négative pour des batteries lithium-ion, ce matériau présente des performances remarquables.

Batterie lithium-ion de la Toyota Prius. Grâce à des nanoparticules de dioxyde d’étain englobées au sein d’un matériau carboné, des chercheurs ont pu améliorer les performances d’une batterie lithium-ion. © thelastminute

Le développement de nouvelles générations de batteries lithium-ion, notamment pour véhicules électriques, est plus que jamais au cœur des priorités des recherches. Conscient de ces enjeux stratégiques, le réseau RS2E (Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie) se mobilise pour répondre aux besoins énergétiques de demain.

Des chercheurs de l'institut de science des matériaux de Mulhouse et de l'institut Charles Gerhardt de Montpellier, des structures membres du RS2E, ont mis au point, par un procédé simple et respectueux de l'environnement, un composite carbone-dioxyde d'étain (SnO2) présentant des propriétés électrochimiques remarquables. Leurs travaux font l'objet d'un brevet et d'une publication dans la revue Advanced Energy Materials.

Les matériaux pour électrode négative de batteries lithium-ion de type intermétalliques (MXn, avec M pour le nickel Ni, le fer Fe, le cobalt Co, etc. et X pour l'étain Sn, l'antimoine Sb, le phosphore P) sont actuellement très étudiés en raison de leur capacité de stockage électrochimique théorique bien supérieure à celle du graphite utilisé commercialement. Toutefois, le développement de ce type de matériaux est limité en raison d'une expansion volumique non maîtrisée qui entraîne l'agglomération des particules lors des cycles de charge et de décharge. Cela conduit à une diminution significative des performances électrochimiques de la batterie. Des alternatives ont été proposées pour contourner ce problème, mais aucune n'a permis d'obtenir un matériau avec les performances recherchées.

Performances en cyclage galvanostatique des composites SnO2 confinés dans le carbone (en bleu) et SnO2 non confinés dans le carbone (en rouge) à régime constant (C = 1,4 ampère par gramme). Comme on le voit sur le bas du graphique, les premiers conservent une meilleure capacité (capacity) au fil des cycles. © Camelia Ghimbeu

Batteries aux performances inégalées avec des nanoparticules

La solution innovante proposée par les chercheurs du RS2E est le confinement de particules de dioxyde d'étain de taille nanométrique (environ deux nanomètres) dans les pores interconnectés d'une matrice carbonée. Celle-ci a été synthétisée par un procédé simple utilisant des précurseurs carbonés respectueux de l'environnement. Les nanoparticules ont ensuite été synthétisées par réduction in situ d'un précurseur métallique imprégné dans la porosité du carbone.

La distribution de SnO2 est homogène au sein de la porosité du carbone, contrôlée et ajustée pour absorber les changements de volume des particules lors de la lithiation (charge de la batterie) et limiter l'agglomération des particules. Testé comme électrode négative pour batteries lithium-ion, ce matériau composite est très performant. Les chercheurs relèvent notamment une capacité élevée avec une excellente tenue en cyclabilité (443 milliampèreheures par gramme après 2.000 cycles, contre 370 pour le graphite utilisé dans les batteries commerciales) et un rendement proche de 100 %, ce qui signifie qu'il y a très peu ou absence de réactions parasites.

Le confinement à l'échelle nanométrique est la clé de ces excellentes performances : il évite l'agglomération de l'étain généralement responsable des défaillances de la batterie lors des cycles de charge et de décharge. Outre l'avantage d'être un nanoréacteur maîtrisant les variations volumiques et l'agglomération des particules de SnO2, la matrice carbonée favorise aussi la conductivité électrique et la diffusion plus rapide de l'électrolyte grâce à l'interconnectivité des pores. C'est la première fois que les chercheurs montrent expérimentalement que le confinement à l'échelle nanométrique de l'espèce active vis-à-vis du lithium (ici le SnO2) est important pour l'amélioration des performances électrochimiques des batteries lithium-ion.

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