Au-delà du lithium : un matériau de cathode prometteur pour les batteries rechargeables au magnésium


Les batteries lithium-ion sont restées inégalées en termes de performances globales pour plusieurs applications, comme en témoigne leur utilisation généralisée dans tout, de l’électronique portable aux stations de base cellulaires. Cependant, ils souffrent de quelques inconvénients importants qu’il est difficile d’ignorer. D’une part, le lithium est plutôt cher, et le fait qu’il soit extrait à un rythme extrême n’aide pas. De plus, la densité énergétique des batteries lithium-ion n’est pas suffisante pour accorder l’autonomie aux véhicules électriques et aux engins lourds. Ces préoccupations, associées au fait que les batteries sont très dangereuses lorsqu’elles sont perforées ou à des températures élevées, ont poussé les scientifiques à rechercher des technologies alternatives.

Parmi les différents éléments testés comme vecteurs énergétiques efficaces pour les batteries rechargeables, le magnésium (Mg) est un candidat prometteur. Outre sa sécurité et son abondance, Mg a le potentiel de réaliser des capacités de batterie plus élevées. Cependant, certains problèmes doivent d’abord être résolus. Ceux-ci incluent la fenêtre de basse tension fournie par les ions Mg, ainsi que les performances de cyclage peu fiables observées dans les matériaux de batterie Mg.

Pour résoudre ces problèmes, une équipe de recherche dirigée par le vice-président et professeur Yasushi Idemoto de l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, est à la recherche de nouveaux matériaux de cathode pour les batteries au magnésium. En particulier, ils ont recherché des moyens d’améliorer les performances des matériaux cathodiques basés sur le système MgV (V: vanadium). Heureusement, comme le rapporte une récente étude mise en ligne le 8 décembre 2022 et publiée dans le tome 928 du Journal de chimie électroanalytique le 1er janvier 2023, ils ont désormais trouvé la voie du succès.

Les chercheurs se sont concentrés sur le Mg1.33V1,67O4 mais a remplacé une certaine quantité de vanadium par du manganèse (Mn), obtenant des matériaux de formule Mg1.33V1.67−xMnxO4, où X passe de 0,1 à 0,4. Alors que ce système offrait une capacité théorique élevée, plus de détails sur sa structure, sa cyclabilité et ses performances cathodiques devaient être analysés pour comprendre son utilité pratique. En conséquence, les chercheurs ont caractérisé les matériaux de cathode synthétisés à l’aide d’une grande variété de techniques standard.

Tout d’abord, ils ont étudié la composition, la structure cristalline, la distribution des électrons et la morphologie des particules des composés Mg1.33V1.67−xMnxO4 en utilisant la diffraction et l’absorption des rayons X, ainsi que la microscopie électronique à transmission. Les analyses ont montré que Mg1.33V1.67−xMnxO4 a une structure spinelle avec une composition remarquablement uniforme. Ensuite, les chercheurs ont effectué une série de mesures électrochimiques pour évaluer les performances de la batterie Mg1.33V1.67−xMnxO4, en utilisant différents électrolytes et en testant les propriétés de charge/décharge résultantes à différentes températures.

L’équipe a observé une capacité de décharge élevée pour ces matériaux cathodiques – en particulier Mg1.33V1,57Mn0,1O4 — mais il variait également de manière significative en fonction du nombre de cycles. Pour comprendre pourquoi, ils ont analysé la structure locale près des atomes de vanadium dans le matériau. « Il semble que la structure cristalline particulièrement stable ainsi qu’une grande quantité de compensation de charge par le vanadium conduisent aux propriétés de charge-décharge supérieures que nous avons observées pour Mg1.33V1,57Mn0,1O4», remarque le professeur Idemoto. « Pris ensemble, nos résultats indiquent que Mg1.33V1,57Mn0,1O4 pourrait être un bon matériau de cathode candidat pour les batteries rechargeables au magnésium. »

Satisfait des découvertes actuelles et plein d’espoir quant à l’avenir, le professeur Idemoto conclut : « Grâce à la recherche et au développement futurs, les batteries au magnésium pourraient surpasser les batteries au lithium-ion grâce à la densité d’énergie plus élevée des premières. »

En effet, les systèmes MgV substitués pourraient éventuellement conduire aux batteries de nouvelle génération tant attendues. Espérons que l’alternative très attendue au lithium pour nos besoins en batteries rechargeables se concrétisera bientôt !

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