Batteries à ions magnésium à état solide : plus sûres et plus efficaces que le lithium

Il est encore trop tôt pour promettre des batteries à état solide plus denses en énergie qui n'explosent pas. Cependant, des chercheurs du Joint Center for Energy Storage Research ont développé un conducteur à état solide à ions magnésium qui ira loin vers la création de batteries au magnésium non inflammables avec une plus grande capacité de stockage d'énergie.

La raison pour laquelle les batteries lithium explosent est qu'elles sont faites 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 état solide de magnésium, qui peut être utilisé comme électrolyte (pas liquide), est résistant au feu. Cela signifie qu'à l'avenir, nous ne verrons plus de Samsung Galaxy et d'iPhone exploser en morceaux.

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

Pour développer cette technologie, les chercheurs ont sélectionné le séléniure de magnésium-scandium spinelle, qui a une mobilité du magnésium comparable aux électrolytes à état solide au lithium. Voyons comment ils l'ont rendu possible.

Rôle du MIT et d'Argonne

L'équipe de scientifiques a fait appel à des chercheurs du MIT qui ont offert des ressources computationnelles, et au Laboratoire national d'Argonne qui a documenté la structure et la fonction du matériau séléniure de magnésium-scandium spinelle.

Un chimiste de recherche 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 le matériau aussi vite que prévu dans les études théoriques. Les données de l'expérience impliquaient une structure de matériau inconnue avec des propriétés complexes, la rendant assez difficile à comprendre.

Avec la RMN à l'état solide et les mesures au synchrotron, une caractérisation électrochimique traditionnelle a été appliquée pour rendre ces découvertes possibles.

La RMN est assez similaire à l'IRM (Imagerie par Résonance Magnétique), fréquemment utilisée en médecine pour montrer les atomes d'hydrogène de l'eau dans les nerfs, muscles et tissus adipeux humains. La fréquence RMN peut être accordée pour identifier d'autres éléments, comme les ions magnésium ou lithium présents dans les matériaux de batterie.

Source : Lawrence Berkeley National Laboratory

Pourquoi le séléniure de magnésium-scandium spinelle ?

Les structures spinelles ont été sélectionnées sur la base des paramètres de conception. Ces structures ont la plus haute mobilité du magnésium avec un volume élevé par anion. De plus, la relaxométrie RMN et la spectroscopie d'impédance confirment le mouvement rapide des ions magnésium avec une faible barrière de migration. Puisque la spectroscopie d'impédance montre un comportement de conduction mixte, des plans pour supprimer la conductivité électronique devraient être recherchés pour que le matériau devienne un électrolyte à état solide de magnésium utilisable en pratique.

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

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

Pour assurer une performance décente d'une batterie à état solide, la couche de revêtement pratique doit montrer une mobilité du magnésium suffisante. L'équipe de recherche a considéré la diffusion du magnésium à travers les produits de décomposition d'électrolyte notables contre le matériau de magnésium, y compris le séléniure de magnésium binaire, 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 à état solide de magnésium potentiels (ceux qui sont composés de sulfures et d'oxydes) doivent assurer la génération de produits d'interface avec une meilleure mobilité du magnésium lorsqu'ils sont utilisés contre le magnésium métallique, par rapport aux chalcogénures binaires de magnésium.

Outre l'identification du premier spinelle avec une conductivité ionique du magnésium élevée à température ambiante, le travail de recherche valide également les règles de conception précédemment détectées pour les conducteurs solides multivalents rapides. C'est une étape encourageante vers la découverte de plus de solides avec une mobilité rapide du magnésium, qui pourraient fonctionner comme matériaux d'électrolyte ou d'électrode.

Article de recherche : High magnesium mobility in ternary spinel chalcogenides

Effets et portée future

Selon un professeur adjoint, Bo, à l'université Jiao Tong de Shanghai, la recherche aurait un effet notable sur le paysage énergétique. Bien que la technologie soit à son stade initial, dans un avenir proche, elle pourrait avoir un impact transformateur sur le stockage d'énergie.

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Cela semble révolutionnaire et excitant, mais l'équipe dit qu'elle nécessite encore beaucoup de travail de finition avant que le matériau puisse être utilisé dans une vraie batterie. Actuellement, il y a une petite quantité de fuite d'électrons qui doit être éliminée, mais la mobilité ionique améliorée est encourageante pour des batteries commerciales plus sûres.