Une équipe de scientifiques du Département de l'énergie (DOE) du Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie (JCESR) a découvert le conducteur à semi-conducteurs à ions magnésium le plus rapide, une étape majeure vers la fabrication de batteries magnésium-ion à semi-conducteurs à la fois denses en énergie et sûres.

L'électrolyte, qui transporte la charge entre la cathode et l'anode de la batterie, est un liquide dans toutes les batteries commerciales, ce qui les rend potentiellement inflammables, en particulier dans les batteries lithium-ion. Un conducteur à semi-conducteurs, qui a le potentiel de devenir un électrolyte, serait beaucoup plus résistant au feu.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et du Argonne National Laboratory du DOE travaillaient sur une batterie au magnésium, qui offre une densité énergétique plus élevée que le lithium, mais ont été bloqués par le manque de bonnes options pour un électrolyte liquide, dont la plupart ont tendance à être corrosifs contre d'autres parties de la batterie. "Le magnésium est une nouvelle technologie, il n'a pas de bons électrolytes liquides, " a déclaré Gerbrand Ceder, un scientifique principal de la faculté de Berkeley Lab. "Nous pensions, pourquoi ne pas sauter le pas et fabriquer un électrolyte à l'état solide ?"

Le matériel qu'ils ont trouvé, spinelle de séléniure de magnésium scandium, a une mobilité du magnésium comparable aux électrolytes à l'état solide pour les batteries au lithium. Leurs conclusions ont été rapportées dans Communication Nature dans un article intitulé, « Mobilité élevée du magnésium dans les chalcogénures spinelles ternaires. » JCESR, un pôle d'innovation du DOE, a parrainé l'étude, et les auteurs principaux sont Pieremanuele Canepa et Shou-Hang Bo, stagiaires postdoctoraux au Berkeley Lab.

"Avec l'aide d'un effort concerté réunissant des méthodologies de science des matériaux computationnelle, synthèse, et une variété de techniques de caractérisation, nous avons identifié une nouvelle classe de conducteurs solides capables de transporter des ions magnésium à une vitesse sans précédent, " a déclaré Canepa.

Collaboration avec le MIT et Argonne

L'équipe de recherche comprenait également des scientifiques du MIT, qui a fourni des ressources de calcul, et Argonne, qui a fourni une confirmation expérimentale clé du matériau de spinelle de séléniure de magnésium et de scandium pour documenter sa structure et sa fonction.

Co-auteur Baris Key, un chercheur chimiste à Argonne, ont mené des expériences de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Ces tests ont été parmi les premières étapes pour prouver expérimentalement que les ions magnésium pouvaient se déplacer à travers le matériau aussi rapidement que les études théoriques l'avaient prédit.

"Il était crucial de confirmer expérimentalement le saut rapide du magnésium. Ce n'est pas souvent que la théorie et l'expérience s'accordent étroitement l'une avec l'autre, " Key a déclaré. "Les expériences de RMN à l'état solide pour cette chimie étaient très difficiles et ne seraient pas possibles sans des ressources dédiées et une source de financement telle que le JCESR. Comme nous l'avons montré dans cette étude, une compréhension approfondie de la structure à courte et longue portée et de la dynamique des ions sera la clé de la recherche sur les batteries aux ions magnésium."

La RMN s'apparente à l'imagerie par résonance magnétique (IRM), qui est couramment utilisé dans les milieux médicaux, où il montre des atomes d'hydrogène d'eau dans les muscles humains, nerfs, tissu adipeux, et d'autres substances biologiques. Mais les chercheurs peuvent également régler la fréquence RMN pour détecter d'autres éléments, y compris les ions lithium ou magnésium que l'on trouve dans les matériaux des batteries.

Les données RMN du séléniure de magnésium et de scandium, cependant, matériau impliqué de structure inconnue avec des propriétés complexes, les rendant difficiles à interpréter.

Canepa a noté les défis de tester des matériaux qui sont si nouveaux. "Les protocoles sont pratiquement inexistants, ", a-t-il déclaré. "Ces résultats n'ont été possibles qu'en combinant une approche multitechnique (mesures RMN du solide et synchrotron à Argonne) en plus de la caractérisation électrochimique conventionnelle."

Faire l'impossible

L'équipe prévoit de poursuivre les travaux pour utiliser le conducteur dans une batterie. "Cela a probablement un long chemin à parcourir avant de pouvoir en faire une batterie, mais c'est la première démonstration que vous pouvez fabriquer des matériaux à l'état solide avec une très bonne mobilité du magnésium, " a déclaré Ceder. " On pense que le magnésium se déplace lentement dans la plupart des solides, donc personne ne pensait que ce serait possible."

En outre, la recherche a identifié deux phénomènes fondamentaux liés qui pourraient affecter de manière significative le développement des électrolytes solides de magnésium dans un proche avenir, à savoir, le rôle des défauts anti-sites et le jeu de la conductivité électronique et magnésienne, tous deux publiés récemment dans Chemistry of Materials.

Bo, maintenant professeur assistant à l'Université Jiao Tong de Shanghai, a déclaré que la découverte pourrait avoir un effet dramatique sur le paysage énergétique. « Ce travail a réuni une grande équipe de scientifiques de diverses disciplines scientifiques, et a pris le premier coup au formidable défi de construire une batterie au magnésium à l'état solide, " dit-il. " Bien qu'actuellement à ses balbutiements, cette technologie émergente pourrait avoir un impact transformateur sur le stockage de l'énergie dans un avenir proche."

Gopalakrishnan Sai Gautam, un autre co-auteur qui était affilié au Berkeley Lab et est maintenant à Princeton, a déclaré que l'approche d'équipe rendue possible par un hub du DOE tel que le JCESR était essentielle. "Le travail montre l'importance d'utiliser une variété de techniques théoriques et expérimentales dans un environnement hautement collaboratif pour faire d'importantes découvertes fondamentales, " il a dit.

Ceder était enthousiasmé par les perspectives de la découverte, mais a averti que le travail restait à faire. "Il y a d'énormes efforts dans l'industrie pour fabriquer une batterie à semi-conducteurs. C'est le Saint Graal parce que vous auriez la batterie ultime sûre. Mais nous avons encore du travail à faire. Ce matériau montre une petite quantité de fuite d'électrons, qui doit être retiré avant de pouvoir être utilisé dans une batterie."