Les batteries solides représentent une technologie clé pour l’avenir, offrant une capacité de stockage d’énergie supérieure tout en éliminant les matériaux inflammables présents dans les batteries lithium-ion classiques. Des chercheurs de la Technische Universität München (TUM) et de TUMint.Energy Research ont franchi une étape majeure dans l’amélioration de ces batteries. Ils ont mis au point un nouveau matériau à base de lithium, d’antimoine et de scandium, capable de conduire les ions lithium plus de 30 % plus rapidement que tout autre matériau connu jusqu’à présent.
Prof. Thomas F. Fässler dans son laboratoire à la chaire de chimie inorganique spécialisée dans les nouveaux matériaux. Crédit photo : Robert Reich / TUM
Une innovation majeure dans la conductivité des ions pour batteries solides
Sous la direction du Professeur Thomas F. Fässler, l’équipe de la chaire de chimie inorganique axée sur les matériaux innovants a partiellement substitué le lithium dans un composé d’antimoniure de lithium par le métal scandium. Cette substitution crée des lacunes spécifiques, dites « vacances », dans la structure cristalline du matériau conducteur. Ces espaces facilitent et accélèrent le déplacement des ions lithium, établissant ainsi un nouveau record mondial de conductivité ionique.
Validation scientifique rigoureuse
Étant donné que la conductivité mesurée dépassait largement celle des matériaux existants, les chercheurs ont collaboré avec la chaire d’électrochimie technique dirigée par le Professeur Hubert Gasteiger à la TUM pour confirmer ces résultats. Tobias Kutsch, co-auteur et responsable des tests de validation, explique : « Étant donné que ce matériau conduit également l’électricité, cela a constitué un défi particulier, et nous avons dû adapter nos méthodes de mesure en conséquence. »
Un matériau prometteur aux multiples atouts
Le Professeur Fässler souligne le potentiel considérable de ce nouveau matériau : « Notre découverte représente une avancée majeure en recherche fondamentale. En intégrant de petites quantités de scandium, nous avons révélé un nouveau principe qui pourrait servir de modèle pour d’autres combinaisons élémentaires. Plusieurs tests restent nécessaires avant une application dans les cellules de batterie, mais nous sommes optimistes. Les matériaux capables de conduire à la fois les ions et les électrons conviennent particulièrement bien comme additifs dans les électrodes. Face à ces perspectives, nous avons déjà déposé un brevet pour notre développement. »
Outre sa conductivité améliorée, ce matériau offre une excellente stabilité thermique et peut être synthétisé par des méthodes chimiques éprouvées.
Une nouvelle classe de matériaux découverte
Grâce à cette recherche, les scientifiques ont même identifié une toute nouvelle catégorie de substances. Jingwen Jiang, premier auteur et chercheur chez TUMint.Energy Research, précise : « Notre combinaison porte sur le lithium et l’antimoine, mais le même principe peut aisément s’appliquer aux systèmes lithium-phosphore. Le précédent record reposait sur du lithium-soufre et nécessitait cinq éléments supplémentaires pour l’optimisation, tandis que nous n’avons besoin que du scandium comme composant additionnel. Nous pensons que cette découverte pourrait avoir des implications plus larges pour améliorer la conductivité dans une grande variété d’autres matériaux. »