Des scientifiques de Tokyo Tech, de Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd. et de l'Organisation australienne pour la science et la technologie nucléaires (ANSTO) ont rapporté des conducteurs stables et à haute teneur en ions oxyde basés sur un nouvel oxyde hexagonal lié à la pérovskite. Ces conducteurs oxyde-ion haute performance pourraient ouvrir la voie au développement d'électrolytes solides pour les batteries de nouvelle génération et les dispositifs d'énergie propre tels que les piles à combustible à oxyde solide.

La demande toujours croissante d'énergie propre et d'appareils à haute performance à l'ère technologique moderne a appelé au développement de matériaux énergétiques alternatifs. En particulier, les conducteurs oxyde-ion ont suscité beaucoup d'attention sur ce front. La présence d'ions d'oxyde hautement mobiles dans leur structure cristalline confère à ces matériaux des propriétés électroniques uniques avec des applications potentielles dans la conception de piles à combustible à oxyde solide (SOFC), une technologie prometteuse pour générer de l'énergie propre.

Pour développer des SOFC efficaces, des conducteurs solides oxyde-ion à haute conductivité et stabilité chimique et électrique sont nécessaires. Malheureusement, les conducteurs oxyde-ion conventionnels ne présentent pas une conductivité suffisante en dessous de 700 degrés Celsius. Un matériau alternatif à haute conductivité ionique à des températures plus basses (300 à 600 degrés Celsius) est donc très recherché.

Heureusement, des oxydes de type pérovskite pourraient venir à la rescousse. En particulier, il a été rapporté que les dérivés de pérovskite hexagonale composés d'oxydes de baryum (Ba), de molybdène (Mo) et de niobium (Nb) présentent une conductivité ionique élevée. Cependant, certains inconvénients subsistent :la quantité d'oxygène dans les espaces interstitiels de la structure cristalline, nécessaire à une forte conduction, est encore faible, la conduction électronique concurrence et gêne la conduction ionique en atmosphère réductrice, et les techniques de diffraction ne permettent pas d'éclairer sur le mécanisme sous-jacent de migration de l'oxygène.

Dans une étude récente publiée dans Small , une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Masatomo Yashima de l'Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, s'est penchée sur ces questions. L'équipe a développé un nouvel oxyde hexagonal lié à la pérovskite, Ba₇ Ta_3.7 Mo_1.3 O_20.15 , qui a montré une excellente conduction ionique à des températures intermédiaires et basses. « Notre objectif était de concevoir des matériaux qui permettaient l'introduction d'un grand nombre d'oxygènes interstitiels dans leur structure et présentaient une conductivité élevée à des températures intermédiaires et basses. De plus, la conduction ionique restait dominante dans une atmosphère réductrice », précise le professeur Yashima. Cette étude est issue d'une recherche collaborative menée par Tokyo Tech, Japon, Kojundo Chemical Laboratory Co. Ltd., Japon, et l'Australian Nuclear Science and Technology Organization (ANSTO), Australie.

L'équipe a ensuite effectué des analyses structurelles des matériaux en utilisant une combinaison de données de diffraction de rayons X et de neutrons synchrotron et de calculs numériques. Ils ont découvert que l'introduction de tantale (Ta) dans la structure entraînait une stabilité améliorée et un plus grand nombre d'oxygènes interstitiels par rapport aux autres oxydes hexagonaux liés à la pérovskite. De plus, les analyses et les calculs ont montré que les ions Mo occupaient préférentiellement les couches pauvres en oxygène responsables de la conduction oxyde-ion.

L'équipe est ravie de ces découvertes et le professeur Yashima est optimiste quant à leurs ramifications pratiques. "Les résultats obtenus dans notre étude pourraient fournir une stratégie efficace pour le développement et la commercialisation des SOFC", espère-t-il. + Explorer plus loin

De nouveaux matériaux à haute conductivité oxygène-ion ouvrant un avenir durable