Du magnésium pour booster les batteries au lithium
Publié par Redbran le 02/11/2018 à 12:00
Source: CNRS-INC
De plus en plus utilisées par les nouvelles technologies (smartphones, tablettes, ...), les batteries "Li-ion" s'avèrent aussi de plus en plus gourmandes en ressources pour fonctionner. Une solution consiste au développement de batteries Li-ion organiques, plus vertes. Des chercheurs nantais de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) des Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) Jean Rouxel (IMN, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Nantes/CNRS) et du Laboratoire de Glycochimie, des Antimicrobiens et des Agroressources (LG2A, Université de Picardie Jules Verne/CNRS) ont découvert un moyen inédit d'augmenter l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de ces batteries Li-ion organiques grâce à l'ajout de magnésium. Ces résultats, publiés dans Nature Communications, pourraient permettre le développement de nouvelles batteries à faible impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient négatives ou positives, dues à un organisme ou à un produit.) et plus compétitive par rapport aux batteries Li-ion actuelles.


Effet de la présence de l'ion magnésium dans la structure organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) électroactive (2,5-dilithium-oxy)-téréphtalate sur son potentiel de fonctionnement et comparaison avec le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) d'électrode commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) de batterie Li-ion, LiFePO4.
Mg(Li2)-p-DHT pour (2,5-dilithium-oxy)-téréphtalate de magnésium
Li2(Li2)-p-DHT pour (2,5-dilithium-oxy)-téréphtalate de dilithium
©Philippe Poizot

Les batteries Li-ion actuellement commercialisées sont en passe d'envahir le domaine des transports (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) après avoir conquis celui de l'alimentation des systèmes électroniques nomades (téléphonie mobile, tablettes, ...) compte tenu de leurs fortes performances électriques. Les besoins en termes de stockage de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les...) sont sans cesse revus à la hausse en parallèle de l'augmentation du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'utilisateurs et des applications.

Ces perspectives de déploiements massifs font pourtant apparaître un revers écologique car leur fonctionnement repose sur l'utilisation de matériaux d'électrode inorganiques (principalement des métaux comme le cobalt ou le nickel), coûteux, difficilement recyclables et non renouvelables par nature.

Une alternative prometteuse

L'utilisation de matériaux d'électrodes organiques présente plusieurs atouts: constitués d'éléments naturellement abondants (carbone, hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...) ou encore soufre), les composés organiques peuvent être préparés au moyen d'une chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) de synthèse faiblement énergivore intégrant potentiellement des réactifs biosourcés. Leur schéma de recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de...) peut être aussi grandement simplifié et ne consister qu'en une simple destruction par combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une...).

Cependant, aujourd'hui, une des difficultés réside dans l'obtention de matériaux organiques lithiés capables de fonctionner à haut potentiel rédox pour application en tant qu'électrode positive dans une batterie Li-ion et s'approcher ainsi des performances des matériaux classiques inorganiques.

L'ion magnésium pour gagner en énergie

Des chercheurs de l'Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN, Université de Nantes/CNRS) et du Laboratoire de Glycochimie, des Antimicrobiens et des Agroressources (LG2A, Université de Picardie Jules Verne/CNRS) ont découvert un moyen inédit pour atteindre cet objectif en associant du magnésium – élément abondant et non toxique – dans la structure d'un matériau organique éco-conçu précédemment identifié.

L'ion magnésium perturbe notablement la structure électronique de l'entité organique avec pour conséquence un gain en potentiel de près de 800 mV permettant de rivaliser avec le composé LiFePO4 (un composé phare des batteries Li-ion du moment).

Ce matériau innovant étant par ailleurs doté d'une fonctionnalité rédox duale, il a pu être utilisé à la fois comme électrode positive et négative dans une batterie Li-ion capable de délivrer une tension (La tension est une force d'extension.) moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de...) en fonctionnement de 2,5 Volts.

Référence publication:
Alia Jouhara, Nicolas Dupré, Anne-Claire Gaillot, Dominique Guyomard, Franck Dolhem, Philippe Poizot
Raising the Redox Potential in Carboxyphenolate-Based Positive Organic Materials via Cation Substitution
Nature Communications – Octobre 2018
DOI: 10.1038/s41467-018-06708-x

Contacts chercheurs:
Philippe Poizot, IMN UMR6502, Université de Nantes (L’université de Nantes est une université française située à Nantes. Elle a été créée sous sa forme actuelle par un décret du 29...)
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