Titanate de lithium

Le titanate de lithium est un composé chimique de formule Li₂TiO₃. Il se présente comme un solide blanc cristallisé fondant entre 1 520 et 1 564 °C et dont la masse volumique à température ambiante vaut 3,43 g/cm³. Il s'agit d'une céramique dont la phase la plus stable, notée β-Li₂TiO₃, cristallise dans le système monoclinique[3] avec le groupe d'espace C2/c (n^o 15) et les paramètres cristallins a = 504,1 pm, b = 880,6 pm, c = 972,6 pm et β = 100,0°[4]. Cette structure cristalline se compose de couches d'octaèdres TiO₆ partageant leurs arêtes, les cations de lithium Li⁺ étant incorporés à la fois au sein de ces couches et entre deux couches contiguës. Une phase cubique se forme réversiblement au-dessus de températures de l'ordre de 1 150 à 1 250 °C ; notée γ-Li₂TiO₃, elle se comporte comme une solution solide[5]. À températures plus basses, il existe une phase cubique métastable notée α-Li₂TiO₃, isostructurelle avec la phase γ-Li₂TiO₃, qui se convertit en phase β à 400 °C[6]. On peut trouver du titanate de lithium dans le commerce à température ambiante sous la forme d'une poudre blanche.

On prépare le Li₂TiO₃ généralement à partir d'un mélange de carbonate de lithium Li₂CO₃, de nitrate de titane (en) Ti(NO₃)₄ et d'acide citrique traité par calcination, compaction et frittage. Le matériau nanocristallin obtenu peut être utilisé comme précurseur en raison de sa grande pureté[7].

Le titanate de lithium peut être utilisé comme cathode de pile à combustible à carbonate fondu et de certains accumulateurs lithium-ion. Dans ces derniers, le titanate de lithium stabilise les conducteurs cathodiques LiMO₂, où M représente un métal comme le fer, le manganèse, le chrome ou le nickel, qui forment des couches avec le Li₂TiO₃ pour permettre la diffusion du lithium. Le titanate de lithium peut également être utilisé sous forme de nanocristaux à la surface de l'anode des accumulateurs au titanate de lithium à la place du carbone des accumulateurs lithium-ion, ce qui accroît considérablement la surface spécifique à l'anode et permet un chargement plus rapide au détriment de la densité massique d'énergie de l'accumulateur.

Le lithium 6 étant un isotope susceptible de produire du tritium par absorption de neutrons thermiques, des galets céramiques constitués de titanate de lithium Li₂TiO₃ et d'orthosilicate de lithium Li₄SiO₄ sont des matériaux étudiés notamment dans le réacteur thermonucléaire expérimental international ITER[8] pour réutiliser les neutrons thermiques quittant le plasma afin de produire du tritium susceptible de poursuivre la réaction de fusion nucléaire tout en libérant 4,8 MeV par noyau de tritium formé :

6
3Li + 1
0n ⟶ 4
2He (2,05 MeV) + 3
1T (2,75 MeV).

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