Diagramme de phase dans les oydes lamellaires de type NaxMO2 – Dinamo

Les oxydes lamellaires de type NaxMO2 (où x est compris entre 0 et 1 et M est un cation 3d) ont été initialement étudiés il y a trente ans pour être utilisés comme matériaux d’électrode positive dans les batteries secondaires. Cependant, la technologie des batteries lithium-ion s’est rapidement montrée prometteuse et la recherche sur les composés au sodium pour le stockage électrochimique de l’énergie s’est considérablement atténuée. Récemment, les batteries au sodium ont connu un regain d’intérêt, notamment car le sodium est bien moins cher que le lithium et il est disponible partout à travers le monde. Ces dernières années, de nombreuses études ont porté sur la structure et les propriétés des systèmes de type oxyde lamellaire au sodium, incluant l’étude de leurs performances comme matériau d’électrode dans des batteries sodium pour des applications stationnaires. De plus, certaines phases de ces systèmes ont montré des propriétés fascinantes comme de la supraconductivité, un fort pouvoir thermoélectrique et des transitions métal-isolant. Par conséquent, il apparaît très attractif d’explorer de nouveaux systèmes de type oxyde lamellaire au sodium.
Dans ce projet, nous avons pour objectifs d’explorer de nouveaux diagrammes de phase dans les systèmes de type oxyde lamellaire NaxMO2 avec des cations 4 d (dans un premier temps avec M = Mo, puis avec M = Nb, Ru ou Rh) et d’étudier la structure et les propriétés de transport et magnétiques des phases existant dans ces systèmes. Ce projet est basé sur une approche de synthèse originale : la désintercalation/ intercalation électrochimique contrôlée des ions sodium dans une batterie en fixant le niveau de Fermi du matériau de type NaxMO2 ciblé par rapport au potentiel du couple redox Na+/Na. Le projet sera organisé en trois ensembles de tâche. Le premier ensemble sera la synthèse des nouveaux matériaux par voie chimie du solide classique, soit sous forme de poudre ou sous forme de monocristaux, suivie par la désintercalation/ intercalation électrochimique contrôlée du sodium à température ambiante. Les propriétés électroniques et magnétiques de chaque phase ainsi obtenue seront ensuite systématiquement étudiées en fonction de la température dans un deuxième ensemble de tâche. Troisièmement, la structure des phases présentant les propriétés physiques les plus prometteuses (forte conductivité électronique et ionique, supraconductivité, fort pouvoir thermoélectrique…) sera étudiée en détail en utilisant diverses techniques complémentaires, incluant des techniques de diffraction (rayons X, neutrons ou électrons) et des techniques de sonde locale comme l’analyse des fonctions de distribution de paires (PDF) ou la Résonnance Magnétique Nucléaire (RMN) du solide, afin d’élucider les relations composition-structure-propriétés.
Bien que les phases de type NaxMO2 que nous proposons d’étudier dans ce projet puissent ne jamais être utilisées à grande échelle comme matériaux d’électrode positive dans des batteries commerciales du fait du prix et de l’important ratio masse atomique/quantité de charges disponibles des cations 4d incorporés, la connaissance des relations composition-structure-propriétés atteinte dans ce projet sera d’une grande aide pour comprendre les mécanismes se produisant lors du cyclage dans l’électrode positive de toutes les batteries sodium-ion fonctionnant avec des oxydes lamellaires. Enfin, ce projet permettra peut-être de découvrir des nouveaux matériaux aux propriétés électroniques exceptionnelles.