Les lacunes d’oxygène accélèrent le lithium dans un matériau de batterie

À 300°C, dans un four pauvre en oxygène, des chercheurs de l’Université de technologie de Graz, en Autriche, ont retiré des atomes d’oxygène individuels du titanate de lithium. Les atomes manquants ont laissé des lacunes dans le réseau cristallin — et transformé une voie normalement peu propice au déplacement des ions lithium en un itinéraire plus rapide à travers le matériau.

Le titanate de lithium, ou LTO, est un matériau d’anode pour les batteries lithium-ion. Il est déjà apprécié pour sa sécurité, sa durabilité, sa charge ultra-rapide et son fonctionnement à basse température. Mais le LTO vierge, avant le début de la charge, conduit mal les ions. Il devient généralement plus conducteur uniquement lorsque des ions lithium et des électrons supplémentaires pénètrent dans sa structure.

Les chimistes Bernhard Gadermaier et Martin Wilkening ont choisi une autre approche : ils ont intégré les défauts au matériau non chargé dès le départ. Les lacunes d’oxygène ne modifient pas la formule chimique de base du LTO. Elles activent plutôt une voie de diffusion déjà présente dans l’architecture cristalline, offrant davantage d’espace aux cations lithium pour se déplacer tout en préservant le comportement « zero-strain » du LTO — son réseau ne subit presque aucune expansion ni contraction de volume pendant l’insertion et l’extraction du lithium.

L’équipe a vérifié l’effet à deux échelles. La spectroscopie de conductivité a mesuré le flux global à travers le matériau, tandis que la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, ou RMN, a suivi les cations lithium individuels. Ensemble, les mesures ont montré que les atomes d’oxygène manquants déclenchaient la nouvelle voie de diffusion active. L’étude a été publiée dans Science Advances.

Qu’est-ce qui change en pratique ? Le résultat offre aux chercheurs en batteries un moyen d’ajuster le transport ionique grâce au traitement thermique et aux défauts à l’échelle atomique, plutôt que de s’appuyer uniquement sur la composition chimique ou la charge. Il pourrait également éclairer la conception de systèmes iontroniques, mémristifs et neuromorphes.