Batteries « Lithium métal-polymère » : vers un fonctionnement à température ambiante

Camille Pinchart (SyMMES/STEP) et Jean-Marc Zanotti (LLB/MMB)

Un électrolyte canonique des batteries lithium-métal-polymère est le POE (Poly – Oxyde d’Éthylène) dopé par des sels de lithium. La conductivité y est contrôlée par la dynamique locale du polymère. Pour de bonnes performances en conduction, il est nécessaire de maintenir ces accumulateurs à 80°C, au-dessus du point de fusion du POE « bulk » (TM). Cette température élevée étant un facteur limitant les performances, il s’agit d’un enjeu industriel majeur. Nous proposons une stratégie de confinement nanométrique au sein d'une membrane, qui permet d'abaisser, par effet Gibbs-Thomson, le point de fusion du système d’une valeur ΔTM ≈ 1/d, où d est le diamètre des pores. En gage de puissance, cette membrane devra également permettre un transport direct et rapide des ions lithium d’une électrode à l’autre (transport 1D).

(a) Profil d’absorption d’une goutte de poly-oxyde d’éthylène (POE) – hydrogéné, 500 g.mol-1, déposé sur une membrane de nanotubes verticalement alignés (NTC-VA) sur polystyrène (PS) deutéré pendant 1200 s. (b) POE-hydrogéné sur PS-deutéré, pendant 10 min.

Des membranes polymères poreuses à base de tapis de nanotubes de carbone (NTC) verticalement alignés (VA) répondent à ce cahier des charges : les pores sont constitués par l’âme des NTC (diamètre/longueur : 5 nm/100 µm) et sont globalement orientés et parallèles. Seul l’intérieur des NTC doit être la partie perméable à l'électrolyte. Cette propriété a été testée par radiographie neutronique sur l’instrument NeXT (Neutron and X ray Tomograph) à l’ILL, Grenoble. Dans cette technique, la source de contraste est la différence de section efficace d’absorption et de diffusion des composantes de l’échantillon. La membrane est préparée à base de polystyrène (PS) deutéré. Le POE, hydrogéné, est déposé sur la membrane. L’absorption du faisceau par le POE induit un assombrissement de l’image. La figure montre l’évolution temporelle de l’absorption de la membrane (rectangle rouge) (a). La diminution de la transmission au cours du temps, n’est pas observable sur un film de PS deutéré sans pores CNT (b). Cette expérience prouve que l’électrolyte est bien uniquement confiné au sein des NTC. Ce premier résultat permettra d’attribuer les gains de conductivité à basse température à de la conduction 1D et/ou à l’effet Gibbs-Thomson.

Ce travail a été mené en collaboration avec Q. Berrod et N. Modesto (IRIG/DIESE/SyMMES/STEP), R. Ramos (DRT/LITEN/DTNM), et A. Tangattini (UGA/ILL).

Contacts : Camille Pinchart (SyMMES/STEP) et Jean-Marc Zanotti (LLB/MMB).

Les propriétés physiques des émetteurs THz à conversion spin-charge

Luca Perfetti (LSI/NEE)

Les spins électroniques jouent un rôle clé dans les technologies de l’information. Un domaine en plein essor est l’interfaçage des mémoires magnétiques actives avec le transport électrique, généralement via des mécanismes de diffusion spin-flip dans des multicouches magnétiques. La conversion de courant charge-spin est utilisée pour commuter des petits éléments magnétiques, avec pour objectif particulier de réduire la dissipation d’énergie par rapport à d’autres approches. De plus, les transistors spintroniques à effet de champ peuvent atteindre des fréquences de commutation élevées, allant potentiellement jusqu’au régime THz. Afin de déterminer les interfaces les plus prometteuses pour de tels dispositifs, la relation étroite entre les mesures de conductivité électrique haute fréquence et de spin en régime permanent doit être établie.

A) Génération THz d’une bicouche cobalt platine : la couche de cobalt, en contact avec la couche de platine, a une aimantation M parallèle au champ magnétique externe H. Un pulse laser ultra-court photoexcite l’échantillon et génère à l’interface, côté platine, un courant polarisé en spin Js, proportionnel à la conductance de spin directe (g↑+g↓)/2. « L’effet Hall de spin inverse » du platine induit un courant de charge transverse Jc. Cette impulsion de courant Jc, d’une durée inférieure à la picoseconde, émet un rayonnement THz.B) Amortissement précessionnel de la résonance ferromagnétique dans la même bicouche : la précession de l’aimantation produite par un champ radio-fréquence hrf induit un courant de spin. L’augmentation de l’amortissement ∆α, due à l’injection de l’impulsion de courant Js dans la couche de platine, est proportionnelle à la conductance effective de « spin mixing ».C) Relation entre l’amortissement précessionnel (échelle des ordonnées à droite), ou la conductance de spin (échelle des ordonnées à gauche) et l’intensité de l’émission THz dans plusieurs types d’émetteurs spintroniques, constitués de tricouches Co/Ti/Pt, Co/Au/Pt, Co/Au : W/Pt. Le point vert, noté Al correspond à une simple couche de cobalt recouverte d’alumine.

A cette fin, les concepts couramment employés pour décrire l’état stationnaire ont été étendus aux dispositifs déclenchés par des excitations optiques ultra-rapides. En particulier, il a été possible de montrer que les impulsions THz résultant de l’effet Hall de spin inverse peuvent être corrélées avec l’amortissement précessionnel de la résonance ferromagnétique (voir légende de la figure). Une étude de plusieurs dispositifs pour la conversion spin-charge montre que la passivation de l’interface magnétique par différents composés suit une tendance commune. Cela suggère l’existence d’une relation universelle entre une réponse GHz, comme la résonance ferromagnétique, et l’émission THz. Cette relation permet une meilleure compréhension des interfaces magnétiques nanométriques, et facilitera la conception d’hétérostructures spintroniques optimisées pour des applications à haute fréquence.

Contact : Luca Perfetti (LSI/NEE).