Batteries à semi-conducteurs magnésium-ion :plus sûres et plus efficaces que le lithium

Il est encore trop tôt pour promettre des batteries à semi-conducteurs plus denses en énergie et qui n’explosent pas. Cependant, des chercheurs du Joint Center for Energy Storage Research ont développé un conducteur à l'état solide magnésium-ion qui contribuera grandement à créer des batteries au magnésium ininflammables avec une plus grande capacité de stockage d'énergie.

La raison pour laquelle les batteries au lithium explosent est qu’elles sont constituées d’électrolyte liquide qui transporte la charge entre l’anode et la cathode, ce qui en fait un matériau potentiellement inflammable. Cependant, le conducteur à l’état solide en magnésium, qui peut être utilisé comme électrolyte (et non liquide), est résistant au feu. Cela signifie qu'à l'avenir, nous ne verrons plus les Samsung Galaxies et les iPhones éclater en morceaux.

Plusieurs entreprises, dont Toyota et KIT, se sont concentrées sur la création d'un meilleur électrolyte liquide, mais elles ont tendance à corroder les autres composants de la batterie. Les chercheurs ont donc voulu essayer quelque chose de différent. Pourquoi pas le magnésium, qui a une densité plus élevée que le lithium et est beaucoup plus abondant dans la nature.

Pour développer cette technologie, les chercheurs ont sélectionné spinelle de séléniure de magnésium et de scandium , qui a une mobilité du magnésium comparable à celle des électrolytes solides au lithium. Découvrons comment ils ont rendu cela possible.

Rôle du MIT et d'Argonne

L'équipe de scientifiques a bénéficié de l'aide de chercheurs du MIT qui ont offert des ressources informatiques, et du laboratoire national d'Argonne qui a documenté la structure et la fonction du matériau spinelle de séléniure de magnésium et de scandium.

Un chercheur chimiste d'Argonne, Baris Key, a réalisé des tests de spectroscopie RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) afin de prouver que les ions magnésium peuvent voyager à travers la matière aussi vite que le prédisent les études théoriques. Les données de l'expérience impliquaient une structure matérielle inconnue avec des propriétés complexes, ce qui la rendait assez difficile à comprendre.

Parallèlement aux mesures RMN du solide et synchrotron, la caractérisation électrochimique traditionnelle a été appliquée pour rendre ces résultats possibles.

La RMN est assez similaire à l'IRM (imagerie par résonance magnétique), qui est fréquemment utilisée en médecine pour montrer les atomes d'hydrogène de l'eau dans les nerfs, les muscles et les tissus adipeux humains. La fréquence RMN peut être réglée pour identifier d'autres éléments, tels que les ions magnésium ou lithium présents dans les matériaux des batteries.

Source : Laboratoire national Lawrence Berkeley

Pourquoi le spinelle de séléniure de magnésium et de scandium ?

Les structures spinelles ont été sélectionnées en fonction des paramètres de conception. Ces structures ont la mobilité du magnésium la plus élevée avec un volume par anion élevé. En outre, la relaxométrie RMN et la spectroscopie d'impédance confirment le mouvement rapide des ions magnésium avec une faible barrière de migration. Étant donné que la spectroscopie d'impédance montre un comportement de conduction mixte, des plans visant à supprimer la conductivité électronique doivent être recherchés pour que le matériau devienne un électrolyte de magnésium à l'état solide pouvant être utilisé dans la pratique.

Les deux phénomènes fondamentaux qui pourraient affecter de manière significative la fabrication d'électrolytes de magnésium à l'état solide :le rôle des défauts ponctuels et l'influence de l'inversion sur la mobilité et l'électrochimie du magnésium, les deux articles sont publiés dans Chemistry of Materials.

Les observations suggèrent que la conductivité électronique est causée soit par des défauts intrinsèques, soit par des phases secondaires ne contenant pas de magnésium. Ainsi, comprendre la chimie des défauts dans le spinelle de séléniure de magnésium et de scandium est très important pour réduire la conductivité électronique. Une approche alternative pour contourner la conduction électronique consiste à concevoir sa surface pour qu'elle soit conductrice d'ions mais isolante pour les électrons. Cela peut être réalisé soit par la formation situ d'une fine interface entre l'électrolyte à l'état solide du matériau et l'électrode, soit par le revêtement ex situ d'une fine couche d'un matériau différent.

Pour garantir des performances décentes à une batterie à semi-conducteurs, la couche de revêtement pratique doit présenter une mobilité suffisante du magnésium. L'équipe de recherche a examiné la diffusion du magnésium à travers des produits notables de décomposition d'électrolytes par rapport au magnésium, y compris le binaire séléniure de magnésium, le sulfure de magnésium et l'oxyde de magnésium.

Ils ont découvert des barrières de diffusion élevées dans l'oxyde de magnésium et le sulfure de magnésium, tandis que le séléniure de magnésium présente une valeur plus faible. Par conséquent, les électrolytes potentiels de magnésium à l'état solide (ceux qui sont composés de sulfures et d'oxydes) doivent garantir la génération de produits d'interface avec une meilleure mobilité du magnésium lorsqu'ils sont utilisés contre le magnésium métallique, par rapport aux chalcogénures de magnésium binaires.

En plus d'identifier le premier spinelle présentant une conductivité ionique du magnésium à haute température ambiante, les travaux de recherche valident également les règles de conception précédemment détectées pour les conducteurs solides rapides à ions multivalents. Il s'agit d'une étape encourageante vers la découverte de davantage de solides à mobilité rapide du magnésium, qui pourraient fonctionner comme matériaux électrolytiques ou électrodes.

Document de recherche : Haute mobilité du magnésium dans les chalcogénures de spinelle ternaire

Effets et portée future

Selon Bo, professeur adjoint à l'Université Jiao Tong de Shanghai, la recherche aurait un effet notable sur le paysage énergétique. Bien que cette technologie en soit à ses débuts, elle pourrait, dans un avenir proche, avoir un impact transformateur sur le stockage de l'énergie.

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Cela semble révolutionnaire et passionnant, mais l’équipe affirme qu’il faudra encore beaucoup de travail d’ameublement avant que le matériau puisse être utilisé dans une véritable batterie. À l'heure actuelle, il existe une petite quantité de fuite d'électrons qui doit être éliminée, mais la mobilité ionique améliorée est encourageante pour des batteries commerciales plus sûres.