Antiperovskites hautement conductrices avec des réseaux anioniques mous

Une nouvelle disposition structurelle des atomes semble prometteuse pour le développement de batteries plus sûres fabriquées avec des matériaux solides. Des scientifiques de l’Institut des sciences intégrées des matériaux cellulaires (iCeMS) de l’Université de Kyoto ont conçu un nouveau type d ‘«antiperovskite» qui pourrait contribuer aux efforts visant à remplacer les électrolytes organiques inflammables actuellement utilisés dans les batteries lithium-ion. Leurs découvertes ont été décrites dans le journal Communications de la nature.

Les composés de pérovskite sont testés et utilisés dans un large éventail de technologies en raison de leur excellente capacité à conduire l’électricité, entre autres propriétés. Ils peuvent être fabriqués à partir d’une grande combinaison d’atomes avec la formule ABX₃, où A et B sont des atomes chargés positivement et X est chargé négativement.

Récemment, des scientifiques ont bricolé des composés appelés antiperovskites. Ceux-ci inversent la formule, combinant deux types d ‘«anions» chargés négativement et un type de cation chargé positivement. « Ils ont également de nombreuses propriétés intrigantes, y compris la supraconductivité et, contrairement à la plupart des matériaux, la contraction lors du chauffage.

Antiperovskites riches en lithium et en sodium, comme le Li₃OCl et Na₃OCl, ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur conductivité ionique élevée et de leur concentration en métaux alcalins, ce qui en fait des candidats prometteurs pour remplacer les électrolytes liquides utilisés dans les batteries lithium-ion. «Mais atteindre une conductivité lithium-ion comparable dans les matériaux solides a été un défi», explique Hiroshi Kageyama, chimiste du solide iCeMS, qui a dirigé l’étude.

Kageyama et son équipe ont synthétisé une nouvelle famille d’antiperovskites riches en lithium et en sodium qui commence à surmonter ce problème. Au lieu d’anions oxygène et halogène «durs», leurs antiperovskites contiennent un anion hydrogène, appelé hydrure, et des anions chalcogènes «doux» comme le soufre.

Les scientifiques ont mené un large éventail d’investigations théoriques et expérimentales sur ces antiperovskites et ont découvert que le réseau d’anions mous fournit un chemin de conduction idéal pour les ions lithium et sodium, qui peuvent être encore améliorés par des substitutions chimiques.

Les avantages de cette nouvelle famille d’antiperovskites semblent être dus, en partie, à la capacité de l’hydrure à changer sa taille et à étendre son espace de composition. Cela aide à stabiliser la structure du composé. De plus, son mode vibrationnel anormal assiste la conductivité ionique.

«Il y a encore beaucoup de place à améliorer par de nouvelles expérimentations avec des substitutions chimiques», dit Kageyama. «Cela pourrait éventuellement conduire à des électrolytes à l’état solide dans les batteries à ions métalliques entièrement solides pour les véhicules électriques à haute performance.