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L’UCLouvain découvre le matériau de la batterie du futur

Article Le Soir, du 17/07/2019

Qui l’ignore ? L’inconvénient majeur des sources alternatives d’énergie, comme la marée, le vent ou le soleil, est leur absence de constance. Pour tourner cet obstacle, il faut stocker l’énergie quand elle est abondante, pour mieux en disposer quand on en a besoin. Le salut se trouve (notamment) dans la pile. « En termes de stockage par batterie, la technologie ion-lithium est actuellement la plus performante. Cette technologique est utilisée dans la petite électronique (smartphone, ordinateurs portables) et considérée comme la meilleure option pour les voitures électriques », explique Geoffroy Hautier, professeur à l’Institut de la matière condensée et des nanosciences de l’UCLouvain. Mais l’ion-lithium a un inconvénient majeur, c’est de présenter des risques d’échauffement anormal qui peuvent aller jusqu’à l’inflammation, suite à une erreur de fabrication. En cause, la présence dans la batterie d’un liquide organique, l’électrolyte, indispensable mais aussi hautement inflammable.

Une des solutions ? Remplacer cet électrolyte liquide et inflammable par un solide. Une étape difficile à franchir entre autres parce que les ions lithium dans les solides sont moins mobiles que dans les liquides. Ce qui limite les performances de la batterie en matière de vitesse de charge et de décharge. Mais passer à une batterie dite « tout-solide » permettrait de démultiplier l’offre de mobilité alternative.

Ce matériau du futur, c’est ce que viennent de découvrir des chercheurs de l’UCLouvain. Son petit nom ? Le LiTi2(PS4)3 ou LTPS. Les chercheurs ont observé dans ce matériau le plus grand coefficient de diffusion du lithium (une mesure directe de la mobilité) jamais mesuré dans un solide. LTPS présente un coefficient de diffusion largement supérieur aux autres matériaux connus : dix fois plus. Ces résultats sont publiés ce mercredi soir dans la revue scientifique de référence Chem(Cell Press).

Un grand waouh !

Est-ce un matériau nouveau ? Oui et non. Cet assemblage de quatre éléments existait déjà, mais avait été élaboré à d’autres usages. Des indices ont mis la puce à l’oreille des chercheurs sur le fait qu’il soit un bon conducteur d’ions. « Avant même de l’avoir expérimenté, on peut calculer le degré de mobilité précis d’un matériau, ce qu’on appelle le coefficient de diffusion. Et les résultats nous ont fort surpris par leur ampleur. Ça a été un grand waouh ! Puis les expérimentateurs ont recréé ce résultat en labo et l’ont confirmé », explique le professeur Geoffroy Hautier.

La découverte ? Cette mobilité du lithium provient de la structure cristalline unique (l’arrangement des atomes) du matériau. « Nous pensons à améliorer encore ce mélange, par exemple en remplaçant le titane, qui est très réactif chimiquement, et que nous ambitionnons de remplacer par un élément proche mais plus sûr. Mais cela reste à tester ». La compréhension de ce mécanisme ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine des solides conducteurs de lithium et, au-delà du LTPS, ouvre la voie à la recherche d’autres matériaux ayant des mécanismes de diffusion similaires.

Le plus amusant, c’est que si les chercheurs étaient sur la piste de nouveau matériaux pour fabriquer la pile du futur, le LTPS n’était pas nécessairement en haut de leur liste. C’est en faisant une série de calculs, dans une espèce de « simulateur » intellectuel des propriétés d’une série de matériau qu’il est remonté à la surface.

Aide à la transition énergétique

La suite ? Les chercheurs doivent analyser plus en amont ce nouveau matériau, pour garantir sa commercialisation dans le futur. Cette découverte constitue néanmoins un pas important dans la compréhension des matériaux à haute mobilité de lithium et vers le développement in fine des batteries du futur, offrant une alternative plus sûre aux batteries actuelles. L’usage pour le grand public ? Des smartphones en passant par les vélos et voitures électriques, le LTPS pourrait être utilisé dans de nombreux outils technologiques de notre vie quotidienne.

« Si la route, demain, peut être occupée par des véhicules qui sont propulsés par des sources d’énergies renouvelables comme l’éolien ou le photovoltaïque, cela signifie moins de pollution, moins de déchets, moins de CO2 dans l’atmosphère. Une pile sûre et efficace peut être un levier majeur pour la transition écologique ».

A vrai dire, cette découverte risque de terminer sous les capots plus vite qu’on ne pense. Elle a été réalisée grâce, notamment, à un financement et une collaboration avec Toyota. Les constructeurs automobiles sont très intéressés à utiliser ce nouveau matériau pour mettre au point une nouvelle génération de voitures électriques, plus sûres et davantage autonomes. Prudents, les chercheurs ont également déposé un brevet, garantissant leur rôle d’inventeur en lien avec ce nouveau matériau.


Le secret de la pile (par FRÉDÉRIC SOUMOIS)

Mais qu’est-ce qu’il y a dans le LTPS, ou LiTi2(PS4)3 ? Son nom l’indique : du lithium, du titane, du phosphore et du soufre. Assemblés à l’abri de l’oxygène et de l’eau pour obtenir une structure cristalline incomparable qui pourrait être le secret de la mobilité du futur. « Ils forment une structure stable et régulière si les quantités sont exactes et le processus maîtrisé ». Reste que si ce solide fait dix fois mieux que tous les solides précédemment connus en termes de coefficient de diffusion, il fait dix fois moins bien que les liquides actuels. Mais il est beaucoup plus sûr.

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