Les batteries au magnésium offrent la promesse d'alimenter en toute sécurité la vie moderne, contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, ils ne sont pas inflammables ni susceptibles d'exploser, mais leur capacité à stocker de l'énergie a été limitée.

Les chercheurs ont rapporté le 24 août dans le journal Communication Nature la découverte d'un nouveau design pour la cathode de la batterie, augmentant considérablement la capacité de stockage et bouleversant la sagesse conventionnelle selon laquelle la liaison magnésium-chlorure doit être rompue avant d'insérer du magnésium dans l'hôte.

"Nous combinons une cathode nanostructurée et une nouvelle compréhension de l'électrolyte de magnésium, " dit Yan Yao, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université de Houston et auteur principal de l'article. "C'est nouveau."

Le travail a été conçu pour la première fois par Yao et le boursier postdoctoral Hyun Deog Yoo en 2014; le projet a duré plusieurs années et a impliqué des scientifiques de trois universités et trois laboratoires nationaux, travaillant à la fois expérimentalement et théoriquement.

"L'ion magnésium est connu pour être difficile à insérer dans un hôte, " dit Yoo, premier auteur sur le papier. "Tout d'abord, il est très difficile de rompre les liaisons magnésium-chlorure. Plus que ça, les ions magnésium produits de cette manière se déplacent extrêmement lentement dans l'hôte. Cela réduit complètement l'efficacité de la batterie."

La nouvelle batterie stocke l'énergie en insérant du monochlorure de magnésium dans un hôte, comme le disulfure de titane. En conservant la liaison magnésium-chlorure, Yao a dit, la cathode a démontré une diffusion beaucoup plus rapide que les versions traditionnelles en magnésium.

Les chercheurs rapportent que la nouvelle batterie a une capacité de stockage de 400 mAh/g, contre 100 mAh/g pour les anciennes batteries au magnésium. Les batteries lithium-ion commerciales ont une capacité cathodique d'environ 200 mAh/g, dit Yao, qui est également chercheur principal au Texas Center for Superconductivity à UH.

La tension de la nouvelle batterie reste faible à environ un volt. Cela se compare à trois à quatre volts pour les batteries au lithium.

La haute tension, couplée à leur haute densité énergétique, a fait des batteries lithium-ion la norme. Mais le lithium est cher et peut développer des brèches dans sa structure interne, une condition connue sous le nom de croissances dendritiques, ce qui peut provoquer un incendie des batteries. En tant que ressource abondante sur terre, le magnésium est moins cher et ne forme pas de dendrites. Jusqu'à maintenant, cependant, il a été freiné par le besoin d'une meilleure cathode - l'électrode à partir de laquelle le courant circule - et d'électrolytes plus efficaces, le milieu à travers lequel la charge ionique circule entre la cathode et l'anode.

Ce travail propose une solution.

La clé, Yo a dit, consiste à dilater le disulfure de titane pour permettre l'insertion de chlorure de magnésium - un processus en quatre étapes appelé intercalation - plutôt que de rompre les liaisons magnésium-chlorure et d'insérer le magnésium seul. Le maintien de la liaison magnésium-chlorure doublait la charge que la cathode pouvait stocker.

Les molécules de monochlorure de magnésium sont trop grosses pour être insérées dans le disulfure de titane en utilisant des méthodes conventionnelles. En s'appuyant sur leurs travaux antérieurs, les chercheurs ont créé une nanostructure ouverte en élargissant de 300 % les lacunes dans le disulfure de titane, en utilisant des "piliers" organiques.

L'ouverture était encore petite, augmenté de 0,57 nanomètres à 1,8 nanomètres, mais Yao a dit que cela permettait d'insérer le chlorure de magnésium.

"Modélisation théorique combinée, analyse spectroscopique, et une étude électrochimique révèlent une cinétique de diffusion rapide des cations monochlorure de magnésium sans scission de la liaison chlorure de magnésium, " ont écrit les chercheurs. "... La grande capacité s'accompagne d'excellentes performances de cadence et de cyclage même à température ambiante, ouvrant des possibilités pour une variété d'hôtes d'intercalation efficaces pour les batteries à ions multivalents."

"Nous espérons qu'il s'agit d'une stratégie générale, " dit Yoo. " En insérant divers ions polyatomiques dans des hôtes à plus haute tension, nous visons à terme à créer des batteries plus énergivores à un prix inférieur, surtout pour les véhicules électriques."