Les technologies actuelles pour les batteries lithium-ion sont toutes basées sur des électrodes inorganiques, malgré le fait que les matériaux organiques soient connus depuis des années pour offrir une alternative à ces technologies. Les applications de ces matériaux organiques sont freinées par une faible capacité spécifique et de mauvaises performances nominales.
Des chercheurs de Pékin et de SOLEIL (lignes LUCIA et ODE) ont révélé que les complexes organométalliques polythiophène-fer et polythiophène-fer-oxygène obtenus par synthèse chimique constituaient des matériaux de stockage du lithium prometteurs présentant une grande capacité et une excellente stabilité en cyclage. Des études combinant la spectroscopie d’absorption des rayons X (EXAFS) à la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) démontrent que l'atome métallique de fer est incorporé au réseau de polythiophène et forme ainsi de fortes liaisons Fe-S ; ce qui confère au polymère une grande capacité de stockage du lithium. En outre, la grande réversibilité des interactions Fe-O-Fe interfoliaires pendant le cyclage lui permet d'obtenir sa grande stabilité en cyclage, tandis que la matrice conductrice de polythiophène lui confère ses performances nominales exceptionnelles.
Figure 1 : Performance électrochimique des composites PTh-Fe et PTh-Fe-O entre 0,0 V et 3,0 V par rapport à Li+/Li : profils de potentiel sélectionnés pour PTh-Fe (a) et PTh-Fe-O (c) ; Performance de cyclage galvanostatique et efficacité coulombienne des composites PTh-Fe (b) et PTh-Fe-O (d) à une densité de courant de 0,1 mA cm-2. Une capacité réversible de plus de 700 mAh g-1 et une excellente stabilité en cyclage de plus de 300 cycles ont été obtenues pour les composites PTh-Fe et PTh-Fe-O.
Figure 2 : Signaux EXAFS expérimentaux (en noir) au seuil K du Fe, et ajustements théoriques (en rouge) des composants PTh-Fe (haut) et PTh-Fe-O (bas) dans différents états : après fabrication (a), déchargés à 0,0 V (b) et rechargés à 3,0 V (c).
Figure 3 : Structure monocouche du PTh-Fe (a) et structure multicouches du PTh-Fe-O (b) obtenues par les calculs de DFT. Les signaux EXAFS théoriques de la figure 2 (courbes rouges) ont été calculés en se basant sur ces deux structures.