L’extraordinaire développement des batteries lithium-ion montre qu’elles sont au cœur de la transition énergétique. Cependant, l’épuisement des ressources en lithium pousse la communauté scientifique vers l’utilisation d’ions autres que le lithium. C’est pourquoi une équipe du Laboratoire PHENIX (CNRS/UPMC/Sorbonne Universités), en collaboration avec l’Université technique de Berlin, cherche à développer des batteries utilisant des éléments plus abondants sur Terre comme le magnésium ou l’aluminium. Leur avantage ? Ces éléments présentent, en théorie, une plus grande densité d’énergie volumique que le lithium, c’est-à-dire qu’une plus grande quantité d’énergie peut être stockée ou transportée dans un volume donné. Mais pour réaliser des batteries avec ces nouveaux ions, les challenges à relever sont nombreux, notamment le choix d’un matériau d’électrode capable de les insérer de manière réversible, condition sine qua none pour obtenir un matériau de batterie rechargeable et fonctionnelle.
Pour pouvoir insérer ces ions dans l’électrode, il est nécessaire que ces électrodes présentent des trous ou des défauts dans leur structure cristalline appelés lacunes. Alors que le composé pure TiO2 souvent utilisé comme matériau d’électrode ne présente qu’une faible activité électrochimique, les chercheurs sont parvenus à créer une très grande concentration de lacunes de titane (jusqu’à 22 %) dans une structure cristalline de TiO2 (anatase) en utilisant une méthode de type sol-gel. Les mêmes chercheurs, associés à une équipe de l’Université technique de Berlin, viennent de franchir une étape supplémentaire en montrant que ce matériau était susceptible de piéger ces cations Mg2+ et Al3+ dans les lacunes de titane. L’introduction de ces défauts permet d’obtenir des capacités de stockage jusqu’à six fois celles obtenues pour le composé TiO2 pur.
L’utilisation de ce nouveau matériau lacunaire peut maintenant être envisagée dans des batteries rechargeables à ions Mg2+ et Al3+. Ces travaux permettent également d’étendre à d’autres matériaux d’électrode l’utilisation de défauts de structure pour développer de nouvelles batteries en s’affranchissant des ions lithium.
Référence publication:
T. Koketsu, J. Ma, Benjamin. J. Morgan, M. Body, C. Legein, W. Dachraoui, M. Giannini, M. Salanne, F. Dardoize, H. Groult, O.J. Borkiewicz, K.W. Chapman, P. Strasser & D. Dambounet
Reversible magnesium and aluminium insertion in cation-deficient anatase TiO2
Nature Materials 18 septembre 2017
DOI : 10.1038/NMAT4976
Contact chercheur:
Damien Dambournet, Laboratoire PHENIX – Paris
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