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Quand les batteries se mettent à la cristallo…

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Quand les batteries se mettent à la cristallo…

Le marché de l’électronique portable et des véhicules électriques (utilisateurs de batteries) a connu, ces dernières années, une croissance exponentielle, grâce notamment aux progrès réalisés dans le domaine des matériaux constitutifs des électrodes. Gwenaëlle Rousse, maître de conférences UPMC de l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/IRD/MNHN), vient de rejoindre la FRE « Chimie du solide et énergie » (Collège de France/UPMC/CNRS). Spécialiste de ce domaine, elle étudie des matériaux de cathode pour batteries, dont les propriétés remarquables répondent à une demande à la fois économique, environnementale et sociétale : pollution réduite, voltage élevé, capacité importante, bonne cyclabilité, faible coût de fabrication…

 

Quand les énergies fossiles s’épuiseront…

La plupart de nos réserves énergétiques proviennent des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz). L’épuisement de ces stocks a des conséquences sur la vie politique et économique à l’échelle internationale. L’offre répond de plus en plus difficilement à la demande (augmentation des échanges commerciaux, explosion démographique dans les pays dits émergents). De plus, l’utilisation massive d’énergies fossiles n’est pas sans conséquence sur l’environnement, avec notamment l’augmentation des gaz à effet de serre.

 

Des efforts ont été entrepris depuis longtemps pour développer des sources d’énergie abondantes, renouvelables et moins polluantes, comme le solaire, le vent, l’eau, la biomasse et la géothermie. Pour les sources intermittentes, les batteries sont indispensables afin de stocker l’énergie quand elle est produite et la restituer quand l’utilisateur en a besoin. En effet, les batteries convertissent l’énergie électrique en énergie chimique, et réciproquement, selon un processus de charge/décharge.

 

D. R.

 

Pour explorer les changements de phase qui ont lieu dans une batterie lors des processus de charge et de décharge, les chercheurs utilisent la diffraction de rayons X et de neutrons sur poudre. Ces expériences se font soit in situ, soit ex situ. Si la diffraction de rayons X peut se faire à l’échelle du laboratoire, les scientifiques sont très souvent amenés à se rendre dans des installations plus imposantes comme les grands instruments (synchrotron Soleil, ou neutrons au LLB Saclay ou ILL Grenoble). Les neutrons révèlent très précisément la position des ions Lithium dans le réseau cristallin tout au long du processus électrochimique de charge et de décharge de la batterie, ainsi que leur structure magnétique. Les neutrons ont aussi en effet l’avantage de pouvoir interagir avec les moments magnétiques, ce qui permet de déterminer l’ordre magnétique de ces composés. Outre le stockage, les applications sont nombreuses, par exemple dans les équipements portables ou les véhicules électriques.

 

Les batteries ion-Lithium, oui mais…

Grâce à leur haute densité énergétique, les batteries à ion Lithium ont rapidement envahi le marché des éléments portatifs et sont en passe de conquérir celui des véhicules électriques. Pour le « stockage en masse », cependant, d’énormes progrès sont à accomplir, notamment en termes de coût. Les scientifiques se tournent donc vers d’autres types de batteries, comme les batteries à ion sodium.

 

D. R.

Pour en savoir plus :

Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/IRD/MNHN)Nouvelle fenêtre

 

Référence :

Preparation, Structure, and Electrochemistry of Layered Polyanionic Hydroxysulfates: LiM-SO4OH (M=Fe, Co, Mn) Electrodes for Li-ion Batteries. C. V. Subban, M. Ati, G. Rousse, A. M. Abakumov, G. Van Tendeloo, R. Janot, J.-M. Tarascon. Journal of the American Chemical Society, DOI: 10.1021/ja3125492, Publication Date (Web): February 1, 2013.

 

À lire: un Zoom Science (IMPMC), LiFeSO4OH : un composé d’électrode éco-efficace pour batteries Li-ionNouvelle fenêtre

 

La méthode de Rietveld

Les propriétés des composés cristallisés dépendent de l’organisation des atomes qui les composent. De toutes petites modifications (lacunes, substitutions atomiques, faibles déplacements atomiques) peuvent modifier de façon radicale les propriétés macroscopiques. La diffraction de rayons X sur monocristal permet de déterminer la structure avec précision et de manière très efficace, mais elle n’est parfois pas adaptée ou tout simplement il n’existe pas de monocristaux de taille suffisante (quelques microns). Dans ce cas, les scientifiques ont recours à la méthode de Rietveld appliquée à la diffraction sur poudre qui donne accès à des informations structurales et microstructurales, cristallines et magnétiques de composés à partir de diffractogrammes de poudre rayons X et/ou neutrons.

 

Côté industrie, cette méthode sert principalement à l’analyse quantitative lorsque plusieurs phases cristallisées sont présentes (ciment, produits pharmaceutiques, vitrocéramiques). Côté académique, les sciences de la Terre et la minéralogie l’utilisent massivement comme outil d’identification et d’analyse quantitative, mais aussi pour l’analyse de la microstructure. Enfin, la MR est incontournable dans le domaine des sciences des matériaux (supraconducteurs, multiferroïques, MOF’s, matériaux pour le stockage de l’énergie…).



30/04/14