Les liquides ioniques, liquides constitués uniquement d'ions, présentent des propriétés remarquables : faible volatilité, stabilité thermique et large fenêtre électrochimique. Ils sont ainsi envisagés comme électrolytes pour les batteries lithium et post-lithium. Mais leur efficacité dépend directement du transport des ions, un phénomène encore mal compris en raison de la complexité de leur organisation interne.
En combinant diffusion de rayons X, RMN (Résonnance Magnétique Nucléaire) et simulations numériques, ce travail - fruit d'une collaboration entre le Laboratoire Léon Brillouin (LLB), le Laboratoire de Physique des Solides (LPS), le Laboratoire Electrochimie et Physicochimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI), le Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (LiPhy) et l'Institut Laue-Langevin (ILL), montre que ces liquides ne sont pas uniformes. Ils présentent au contraire une organisation nanostructurée avec de fortes hétérogénéités locales. À cette échelle, des domaines riches en ions coexistent avec des zones plus mobiles, formant une mosaïque dynamique où les propriétés varient fortement aux différentes échelles d'espace et de temps.
L'étude révèle que la mobilité des ions dépend fortement de leur environnement immédiat. Certains ions sont fortement liés dans des structures de coordination ou des agrégats, ce qui ralentit leur diffusion, tandis que d'autres évoluent plus librement. Cette coexistence de comportements explique la large distribution des vitesses de diffusion observées expérimentalement.
Grâce à une approche innovante de suivi individuel des ions, les chercheurs mettent en évidence un lien direct entre structure locale et dynamique, sur des échelles allant de la picoseconde à la centaine de nanosecondes. Ces résultats remettent en cause les descriptions moyennes classiques et montrent que le transport ionique dans ces systèmes est intrinsèquement hétérogène et multi-échelle.
Cette compréhension fine ouvre des perspectives pour concevoir des électrolytes mieux adaptés aux batteries de nouvelle génération, en contrôlant la structuration et les interactions ioniques afin d'optimiser le transport.