Des dispositifs à couches minces plus rapides pour le stockage d'énergie

Une équipe internationale découvre de nouveaux films minces d'oxyde monocristallin présentant des changements rapides et spectaculaires dans les propriétés électriques via l'intercalation Li-ion via des canaux de transport ioniques techniques.

Institut Max Planck de physique des microstructures

image : La migration rapide des ions Li le long des canaux verticaux 2D du film mince T-Nb2O5 entraîne une transition isolant-métal colossale. Les polyèdres bleus et violets désignent respectivement les réseaux T-Nb2O5 non lithiés et lithiés. Les sphères vert vif représentent les ions Li.Voir plus

Crédit : MPI de Physique des Microstructures, Patricia Bondia

Une équipe de recherche internationale de l'Institut Max Planck de physique des microstructures de Halle (Saale), en Allemagne, de l'Université de Cambridge, au Royaume-Uni et de l'Université de Pennsylvanie, aux États-Unis, a rapporté la première réalisation de films minces monocristallins de T-Nb2O5 ayant des propriétés bidimensionnelles. (2D) canaux de transport ioniques verticaux, ce qui entraîne une transition isolant-métal rapide et colossale via l'intercalation des ions Li à travers les canaux 2D.

Depuis les années 1940, les scientifiques étudient l’utilisation de l’oxyde de niobium, en particulier une forme d’oxyde de niobium connue sous le nom de T-Nb2O5, pour créer des batteries plus efficaces. Ce matériau unique est connu pour sa capacité à permettre aux ions lithium, les minuscules particules chargées qui font fonctionner les batteries, de s'y déplacer rapidement. Plus ces ions lithium peuvent se déplacer rapidement, plus une batterie peut être chargée rapidement.

Le défi, cependant, a toujours été de transformer ce matériau d'oxyde de niobium en couches minces et plates, ou « films », d'une qualité suffisamment élevée pour être utilisé dans des applications pratiques. Ce problème provient de la structure complexe du T-Nb2O5 et de l’existence de nombreuses formes similaires, ou polymorphes, d’oxyde de niobium.

Maintenant, dans un article publié dansMatériaux naturels, des chercheurs de l'Institut Max Planck de physique des microstructures de l'Université de Cambridge et de l'Université de Pennsylvanie ont démontré avec succès la croissance de films minces monocristallins de haute qualité de T-Nb2O5, alignés de telle manière que les ions lithium puissent se déplacer encore plus rapide le long des canaux de transport ioniques verticaux.

Les films de T-Nb2O5 subissent un changement électrique significatif à un stade précoce de l'insertion du Li dans les films initialement isolants. Il s’agit d’un changement radical : la résistivité du matériau diminue d’un facteur 100 milliards. L'équipe de recherche démontre en outre le fonctionnement accordable et basse tension des dispositifs à couche mince en modifiant la composition chimique de l'électrode « grille », un composant qui contrôle le flux d'ions dans un dispositif, élargissant ainsi les applications potentielles.

Le groupe de physique des microstructures de l'Institut Max Planck a réalisé la croissance des films minces monocristallins de T-Nb2O5 et a montré comment l'intercalation Li-ion peut augmenter considérablement leur conductivité électrique. En collaboration avec le groupe de l'Université de Cambridge, de multiples transitions jusqu'alors inconnues dans la structure du matériau ont été découvertes lorsque la concentration en ions lithium était modifiée. Ces transitions modifient les propriétés électroniques du matériau, lui permettant de passer du statut d’isolant à celui de métal, ce qui signifie qu’il passe du statut de blocage du courant électrique à celui de conducteur. Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont rationalisé les transitions de phases multiples qu'ils ont observées, ainsi que la manière dont ces phases pourraient être liées à la concentration d'ions lithium et à leur disposition dans la structure cristalline.

Ces résultats n’ont pu être obtenus que grâce aux synergies entre trois groupes internationaux aux spécialités diverses : couches minces de l’Institut Max Planck de physique des microstructures, batteries de l’Université de Cambridge et théorie de l’Université de Pennsylvanie.

"En exploitant le potentiel du T-Nb2O5 pour subir des transitions isolant-métal colossales, nous avons ouvert une voie passionnante pour l'exploration de solutions électroniques et de stockage d'énergie de nouvelle génération", déclare le premier auteur Hyeon Han de l'Institut Max Planck de physique des microstructures. .