Une équipe japonaise a multiplié par environ dix la conductivité ionique du LATP, un électrolyte solide considéré comme prometteur pour des batteries moins coûteuses. La méthode repose sur l’ajout d’oxyde de samarium et un traitement thermique à 1 000 °C. Publié dans la revue évaluée par les pairs ACS Applied Energy Materials, le résultat ne correspond pas encore à une batterie prête à être produite, mais il s’attaque à l’un des principaux défauts d’un matériau abondant et relativement peu cher.
Réorganiser les grains pour laisser passer les ions
Dans une batterie lithium-ion, l’électrolyte assure le déplacement des ions lithium entre les deux électrodes. Les modèles tout-solide remplacent le liquide inflammable des cellules classiques par un matériau solide. Ils promettent une meilleure sécurité et, selon les chimies retenues, une densité énergétique supérieure. Leur difficulté est simple à formuler : un solide laisse généralement circuler les ions moins facilement qu’un liquide, surtout aux frontières entre les grains qui composent le matériau.
Le LATP, pour phosphate de lithium, d’aluminium et de titane, intéresse les chercheurs parce que ses matières premières et sa fabrication peuvent coûter moins cher que celles d’autres électrolytes solides. Sa conductivité reste cependant insuffisante pour certaines applications. Les chercheurs du KEK, le centre japonais de recherche sur les accélérateurs, et de l’université de Kyoto ont donc utilisé de l’oxyde de samarium comme additif de frittage avant de chauffer l’ensemble à 1 000 °C.
Le gain mesuré ne vient pas d’un simple mélange. Pendant le traitement, l’additif réagit avec les groupes phosphate du LATP et forme notamment du phosphate de samarium et du LiTiOPO4. Ces nouvelles phases favorisent des grains plus fins et modifient la quantité de lithium présente dans la structure cristalline. L’analyse par spectroscopie d’impédance montre que l’amélioration se concentre en particulier aux interfaces entre les particules, précisément là où le passage des ions était freiné.
Pour comprendre ce mécanisme, l’équipe a combiné diffraction des rayons X et diffraction neutronique. Les rayons X renseignent efficacement sur la structure du matériau, tandis que les neutrons permettent de mieux localiser des éléments légers comme le lithium. Cette double lecture a relié le gain électrique à des changements atomiques plutôt qu’à une simple variation de densité ou de taille des échantillons. Les détails sont disponibles dans la publication scientifique originale.
Un résultat de matériau, pas encore une cellule complète
Une conductivité multipliée par dix constitue un progrès important, mais le chiffre ne décrit qu’une partie des performances d’une future batterie. L’étude porte sur l’électrolyte et ne présente pas un accumulateur complet soumis à des centaines de cycles de charge. Il faudra encore vérifier sa stabilité face aux électrodes, sa résistance mécanique, sa tenue dans le temps et le comportement des interfaces pendant les charges rapides.
Le procédé devra aussi sortir du laboratoire. Un traitement à 1 000 °C consomme de l’énergie, et l’emploi d’un élément de terre rare comme le samarium impose d’évaluer le coût, l’approvisionnement et la quantité réellement nécessaire à grande échelle. Le LATP contient par ailleurs du titane : il peut réagir dans certaines configurations d’anode et nécessiter une couche protectrice, ce qui complique la cellule finale.
Le travail reste néanmoins intéressant parce qu’il améliore un matériau déjà connu sans exiger une architecture entièrement nouvelle. Nous avons récemment évoqué une batterie Panasonic tout-solide capable de fonctionner jusqu’à 150 °C et le projet de BYD pour un premier véhicule doté d’une batterie solide en 2027. Ici, l’avancée se situe plus en amont : elle fournit une piste de fabrication et une explication atomique susceptibles d’aider les chimistes à concevoir des électrolytes plus conducteurs avant même l’étape du prototype automobile.
