Des chercheurs du RPI (Institut polytechnique Rensselaer, États-Unis) ont pu perfectionner les batteries au lithium en employant le disulfure de vanadium comme matériau de cathode. La capacité ainsi que le cycle de charge rapide sont considérablement améliorés.

Les ions lithium qui circulent entre deux électrodes reflètent les courants de charge et de décharge d'une batterie lithium-ion. Dans une batterie lithium-ion habituelle, l'anode est constituée de graphite et la cathode est en oxyde de lithium-cobalt. En raison de leur prix et de leurs caractéristiques, ces matériaux conviennent bien, comme en témoignent les applications toujours plus nombreuses des batteries lithium-ion. Cependant, des chercheurs de Rensselaer ont voulu améliorer les performances de ces batteries en essayant d'autres matériaux.

Disulfure de vanadium

Nikhil Koratkar, chercheur de réputation mondiale dans ce domaine, et son équipe, ont obtenu un bon résultat en remplaçant l'oxyde de cobalt par du disulfure de vanadium (VS2). La densité d'énergie est plus élevée en raison de la légèreté du VS2. Grâce à une conductivité supérieure, le cycle de charge rapide est lui-aussi amélioré.

Ces derniers temps, le potentiel du VS2 avait bien attiré l'attention des chercheurs, mais son instabilité réduisait le nombre de cycles de charge à une valeur inacceptable. Les universitaires de Rensselaer ont non seulement trouvé la cause de cette instabilité, mais aussi un moyen de la réduire.

L'équipe interdisciplinaire a constaté que l'insertion du lithium conduisait à une asymétrie de la distance interatomique du vanadium, phénomène connu sous le nom de distorsion (ou instabilité) de Peierls. C'est la cause de la désintégration des nanoflocons de VS2. Pour contrecarrer ce phénomène, ils ont développé un nanoenduit de disulfure de titane (TiS2), un matériau insensible à l'instabilité de Peierls, qu'ils ont appliqué sur les nanoflocons de VS2. Cet enduit stabilise mécaniquement les flocons de VS2 et augmente considérablement la durée de vie des batteries.

Une fois ce problème résolu, il est apparu que les électrodes VS2-TiS2 avaient en outre une capacité spécifique particulièrement élevée. En raison de leur petite taille et de leur faible poids, les atomes de vanadium et de soufre offrent une densité d'énergie et une capacité élevées et permettent donc de fabriquer des batteries compactes. En outre, la diminution de capacité engendrée par la répétition des cycles de charge n'est pas aussi forte qu'avec l'oxyde de cobalt car le couple VS2/TiS2 est un matériau d'électrode bon conducteur.

Les résultats de ces recherches ont été publiés dans le journal spécialisé Nature Communications.