Batteries rechargeables à base de magnésium, plutôt que du lithium, ont le potentiel d'étendre l'autonomie des véhicules électriques en emballant plus d'énergie dans des batteries plus petites. Mais des barrages chimiques imprévus ont ralenti les progrès scientifiques.

Et les endroits où le solide rencontre le liquide - où les électrodes de batterie chargées de manière opposée interagissent avec le mélange chimique environnant connu sous le nom d'électrolyte - sont les points problématiques connus.

Maintenant, une équipe de recherche au Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie du Département de l'énergie des États-Unis, dirigé par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), a découvert un ensemble surprenant de réactions chimiques impliquant le magnésium qui dégradent les performances de la batterie avant même que la batterie ne puisse être chargée.

Les résultats pourraient être pertinents pour d'autres matériaux de batterie, et pourrait orienter la conception des batteries de nouvelle génération vers des solutions de contournement qui évitent ces pièges nouvellement identifiés.

L'équipe a utilisé des expériences aux rayons X, modélisation théorique, et des simulations de superordinateur pour développer une compréhension complète de la dégradation chimique d'un électrolyte liquide se produisant à quelques dizaines de nanomètres d'une surface d'électrode qui dégrade les performances de la batterie. Leurs résultats sont publiés en ligne dans la revue Chimie des Matériaux .

La batterie qu'ils testaient comportait du magnésium métallique comme électrode négative (l'anode) en contact avec un électrolyte composé d'un liquide (un type de solvant connu sous le nom de diglyme) et d'un sel dissous, Mg(TFSI)2.

Alors que la combinaison de matériaux qu'ils utilisaient était considérée comme compatible et non réactive à l'état de repos de la batterie, expériences à la source lumineuse avancée (ALS) de Berkeley Lab, une source de rayons X appelée synchrotron, découvert que ce n'était pas le cas et a conduit l'étude dans de nouvelles directions.

"Les gens pensaient que les problèmes avec ces matériaux se produisaient pendant la charge de la batterie, mais au lieu de cela, les expériences ont indiqué qu'il y avait déjà une certaine activité, " a déclaré David Prendergast, qui dirige l'installation de théorie des matériaux nanostructurés à la fonderie moléculaire et a été l'un des chefs de file de l'étude.

"À ce moment-là, c'est devenu très intéressant, " a-t-il dit. " Qu'est-ce qui pourrait bien provoquer ces réactions entre des substances qui sont supposées être stables dans ces conditions ? "

Les chercheurs de Molecular Foundry ont développé des simulations détaillées du point de rencontre de l'électrode et de l'électrolyte, connu sous le nom d'interface, indiquant qu'aucune réaction chimique spontanée ne devrait se produire dans des conditions idéales, Soit. Les simulations, bien que, n'a pas tenu compte de tous les détails chimiques.

"Avant nos investigations, " a déclaré Ethan Crumlin, un scientifique de la SLA qui a coordonné les expériences aux rayons X et co-dirigé l'étude avec Prendergast, "il y avait des soupçons sur le comportement de ces matériaux et des connexions possibles à de mauvaises performances de la batterie, mais ils n'avaient pas été confirmés dans une batterie de travail."

Batteries lithium-ion populaires dans le commerce, qui alimentent de nombreux appareils électroniques portables (tels que les téléphones portables, ordinateurs portables, et outils électriques) et une flotte croissante de véhicules électriques, navette des ions lithium - des atomes de lithium qui se chargent en libérant un électron - entre les deux électrodes de la batterie. Ces matériaux d'électrode sont poreux à l'échelle atomique et sont alternativement chargés ou vidés d'ions lithium lorsque la batterie est chargée ou déchargée.

Dans ce type de batterie, l'électrode négative est typiquement composée de carbone, qui a une capacité de stockage de ces ions lithium plus limitée que d'autres matériaux.

Donc augmenter la densité du lithium stocké en utilisant un autre matériau rendrait plus léger, plus petite, batteries plus puissantes. En utilisant du lithium métal dans l'électrode, par exemple, peut emballer plus d'ions lithium dans le même espace, bien qu'il s'agisse d'une substance hautement réactive qui brûle lorsqu'elle est exposée à l'air, et nécessite des recherches supplémentaires sur la meilleure façon de l'emballer et de le protéger pour une stabilité à long terme.

Le magnésium métal a une densité énergétique plus élevée que le lithium métal, ce qui signifie que vous pouvez potentiellement stocker plus d'énergie dans une batterie de même taille si vous utilisez du magnésium plutôt que du lithium.

Le magnésium est également plus stable que le lithium. Sa surface forme une couche "oxydée" auto-protectrice car elle réagit avec l'humidité et l'oxygène de l'air. Mais dans une batterie, cette couche oxydée est censée réduire l'efficacité et raccourcir la durée de vie de la batterie, les chercheurs cherchent donc des moyens d'éviter sa formation.

Pour explorer plus en détail la formation de cette couche, l'équipe a utilisé une technique de rayons X unique développée récemment à l'ALS, appelé APXPS (spectroscopie photoélectronique à rayons X à pression ambiante). Cette nouvelle technique est sensible à la chimie se produisant à l'interface d'un solide et d'un liquide, ce qui en fait un outil idéal pour explorer la chimie de la batterie à la surface de l'électrode, où il rencontre l'électrolyte liquide.

Avant même qu'un courant n'ait été injecté dans la batterie de test, les résultats aux rayons X ont montré des signes de décomposition chimique de l'électrolyte, spécifiquement à l'interface de l'électrode de magnésium. Les résultats ont forcé les chercheurs à repenser leur image à l'échelle moléculaire de ces matériaux et de la façon dont ils interagissent.

Ce qu'ils ont déterminé, c'est que l'auto-stabilisant, la fine couche superficielle d'oxyde qui se forme sur le magnésium présente des défauts et des impuretés qui entraînent des réactions indésirables.

"Ce n'est pas le métal lui-même, ou ses oxydes, c'est un problème, " a déclaré Prendergast. " C'est le fait que vous pouvez avoir des imperfections dans la surface oxydée. Ces petites disparités deviennent des lieux de réactions. Il se nourrit de cette façon."

Une nouvelle série de simulations, qui proposait d'éventuels défauts à la surface du magnésium oxydé, ont montré que des défauts dans la couche superficielle oxydée de l'anode peuvent exposer des ions magnésium qui agissent alors comme des pièges pour les molécules de l'électrolyte.

Si des ions hydroxyde flottant librement - des molécules contenant un seul atome d'oxygène lié à un atome d'hydrogène qui peuvent se former lorsque des traces d'eau réagissent avec le magnésium métallique - rencontrent ces molécules liées à la surface, ils réagiront.

Cela gaspille de l'électrolyte, asséchant la batterie au fil du temps. Et les produits de ces réactions encrassent la surface de l'anode, altérer le fonctionnement de la batterie.

Il a fallu plusieurs itérations d'avant en arrière, entre les membres expérimentaux et théoriques de l'équipe, développer un modèle cohérent avec les mesures aux rayons X. Les efforts ont été soutenus par des millions d'heures de puissance de calcul au National Energy Research Scientific Computing Center du laboratoire.

Les chercheurs ont noté l'importance d'avoir accès aux techniques de radiographie, expertise nanométrique, et des ressources informatiques dans le même laboratoire.

Les résultats pourraient être pertinents pour d'autres types de matériaux de batterie, trop, y compris des prototypes à base de lithium ou d'aluminium métal. Prendergast a dit, "Cela pourrait être un phénomène plus général définissant la stabilité des électrolytes."

Crumlin a ajouté, "Nous avons déjà commencé à exécuter de nouvelles simulations qui pourraient nous montrer comment modifier l'électrolyte pour réduire l'instabilité de ces réactions." De même, il a dit, il peut être possible d'adapter la surface du magnésium pour réduire ou éliminer une partie de la réactivité chimique indésirable.

"Plutôt que de lui permettre de créer sa propre interface, vous pouvez le construire vous-même pour contrôler et stabiliser la chimie de l'interface, " a-t-il ajouté. " En ce moment, cela conduit à des événements incontrôlables. "