Vers des batteries à la fois deux fois plus énergétiques et moins couteuses que celles au lithium ?

Publié par Adrien le 18/12/2020 à 07:00
Source: CEA

Piles salines et alcalines parmi les plus courantes.
Une équipe du CEA-Iramis a développé un nouveau matériau d'électrode négative pour les batteries Mg-ion, basé sur le composé In-Pb. L'action synergique de l'indium et du plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...) favorise une capacité électrique (La capacité représente la quantité de charge électrique stockée pour un potentiel électrique...) élevée, au détriment d'une réversibilité du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) qui reste à approfondir.

Les batteries magnésium-ion apparaissent comme une alternative potentielle aux batteries lithium-ion (Les accumulateurs à base de lithium utilisent des technologie en cours de mise au point,...) avec deux avantages: leur capacité de stockage volumétrique pourrait être près de deux fois plus élevée - Mg2+ étant porteur d'une double charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) et Li+ d'une seule - et le magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.) est beaucoup plus abondant sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) que le lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.).

Comme Li+ dans un accumulateur lithium-ion, l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) Mg2+ est échangé entre une cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) et une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...), idéalement du magnésium métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...), via un électrolyte. Or les électrolytes utilisés forment au contact du métal Mg une couche de passivation qui limite le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de cycle de recharge.

Des chercheurs de l'Iramis proposent de remplacer le magnésium de l'électrode par un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) vis-à-vis de l'électrolyte et capable d'accueillir les ions Mg2+ grâce à des effets d'alliage. Après avoir étudié le composé In-Sb, ils ont choisi d'évaluer l'intérêt de In-Pb.

Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), ils observent que la synthèse du matériau d'électrode In-Pb influence fortement sa réactivité. Fabriqué par mécano-synthèse, In-Pb ne réagit pas avec les ions Mg2+. En revanche, avec un ajout de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) lors du broyage, la taille des particules d'In-Pb diminue d'un facteur 20 à 40 (pour atteindre ~ 10 µm), ce qui les rend électrochimiquement actives.

Les analyses électrochimiques et structurales par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) de rayons X montrent la formation du composé Mg2Pb. La capacité électrique obtenue par l'insertion de Mg (calculée à partir de la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) électrochimique) dépasse alors ce qui peut être stocké dans cette seule phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) cristalline Mg2Pb, ce qui implique l'existence d'une phase MgIn sous forme amorphe.

L'étude électrochimique montre que le couplage entre In et Pb apporte un réel avantage pour le premier cycle de charge, où une capacité de 488 mAhg-1 a pu être atteinte - bien supérieure à celles obtenues pour In et Pb seuls - grâce à la formation partiellement réversible de Mg2Pb. Mais à partir de quelques cycles, la capacité se stabilise à environ 300 mAh/g, du même ordre que celle obtenue pour InSb.

Une compréhension plus fine des réactions chimiques est maintenant nécessaire, notamment pour déterminer si une meilleure maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) de la présence de MgIn sous forme amorphe permettrait d'améliorer le nombre de cycles de charge-décharge, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en conservant la forte capacité électrique initiale.

Références:
- Electrochemical reactivity of In-Pb solid solution as a negative electrode for rechargeable Mg-ion batteries, Journal of Energy Chemistry
- Magnesium batteries: Current picture and missing pieces of the puzzle, Journal of Power Sources
- Unexpected behavior of the InSb alloy in Mg-Ion batteries: unlocking the reversibility of Sb, The Journal of Physical Chemistry C
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