Le développement de dispositifs de stockage d'énergie hautement efficaces capables de stocker de l'énergie renouvelable est crucial pour un avenir durable. Dans le monde d'aujourd'hui, le lithium-ion rechargeable à l'état solide (Li ⁺ ) les batteries sont à la pointe de la technologie. Mais le lithium est un métal de terre rare, et la dépendance de la société vis-à-vis de cet élément est susceptible d'entraîner une baisse rapide des ressources et des hausses de prix ultérieures.

Ion magnésium (Mg ²⁺ Les batteries à base de ) ont pris de l'ampleur en tant qu'alternative au Li ⁺ . La croûte terrestre contient beaucoup de magnésium et de Mg ²⁺ Les dispositifs à base d'énergie sont dits avoir des densités d'énergie élevées, une sécurité élevée et un faible coût. Mais la large application de Mg ²⁺ est limité par sa mauvaise conductivité dans les solides à température ambiante. Mg ²⁺ a une faible conductivité à l'état solide car les ions positifs divalents (2+) subissent de fortes interactions avec leurs ions négatifs voisins dans un cristal solide, empêchant leur migration à travers le matériau.

Cet obstacle a été récemment surmonté par une équipe de recherche de l'Université des sciences de Tokyo (TUS). Dans leur nouvelle étude publiée en ligne le 4 mai 2022 et le 18 mai 2022 dans le volume 144 numéro 19 du Journal of the American Chemical Society , ils rapportent pour la première fois, un Mg ²⁺ à l'état solide conducteur avec une conductivité superionique de 10 ⁻³ Scm ⁻¹ (le seuil d'application pratique dans les batteries à semi-conducteurs). Cette magnitude de conductivité pour Mg ²⁺ conducteurs est le plus élevé signalé à ce jour. Selon le professeur agrégé junior Masaaki Sadakiyo de TUS, qui a dirigé l'étude, "Dans ce travail, nous avons exploité une classe de matériaux appelés cadres métal-organiques (MOF). Les MOF ont des structures cristallines très poreuses, qui fournissent l'espace pour une migration efficace de les ions inclus. Ici, nous avons en outre introduit une "molécule invitée", l'acétonitrile, dans les pores du MOF, qui a réussi à accélérer fortement la conductivité du Mg ²⁺ . " Le groupe de recherche comprenait en outre M. Yuto Yoshida, également de TUS, le professeur Teppei Yamada de l'Université de Tokyo, et le professeur adjoint Takashi Toyao et le professeur Ken-ichi Shimizu de l'Université d'Hokkaido. Le document a été mis en ligne le 4 mai. 2022 et a été publié dans le Volume 144 Numéro 19 de la revue le 18 mai 2022

L'équipe a utilisé un MOF connu sous le nom de MIL-101 comme cadre principal, puis a encapsulé Mg ²⁺ ions dans ses nanopores. Dans l'électrolyte résultant à base de MOF, Mg ²⁺ était lâche, permettant ainsi la migration du Mg ²⁺ divalent ions. Pour améliorer encore la conductivité ionique, l'équipe de recherche a exposé l'électrolyte à des vapeurs d'acétonitrile, qui ont été adsorbées par le MOF en tant que molécules invitées.

L'équipe a ensuite soumis les échantillons préparés à un test d'impédance en courant alternatif (AC) pour mesurer la conductivité ionique. Ils ont découvert que le Mg ²⁺ l'électrolyte présentait une conductivité superionique de 1,9 × 10 ⁻³ Scm ⁻¹ . Il s'agit de la conductivité la plus élevée jamais signalée pour un solide cristallin contenant du Mg ²⁺ .

Pour comprendre le mécanisme derrière cette conductivité élevée, les chercheurs ont effectué des mesures de spectroscopie infrarouge et d'isotherme d'adsorption sur l'électrolyte. Les tests ont révélé que les molécules d'acétonitrile adsorbées dans la charpente permettaient une migration efficace du Mg ²⁺ ions à travers le corps de l'électrolyte solide.

Les résultats de cette étude révèlent non seulement le nouveau Mg ²⁺ à base de MOF conducteur en tant que matériau approprié pour les applications de batterie, mais fournissent également des informations essentielles sur le développement de futures batteries à semi-conducteurs. "Pendant longtemps, les gens ont cru que les ions divalents ou de valence supérieure ne pouvaient pas être efficacement transférés à travers un solide. Dans cette étude, nous avons démontré que si la structure cristalline et l'environnement environnant sont bien conçus, alors un état solide à haute conducteur de conductivité est bien dans la recherche », explique le Dr Sadakiyo.

Interrogé sur les projets futurs du groupe de recherche, il révèle qu'ils "espèrent contribuer davantage à la société en développant un conducteur divalent avec une conductivité ionique encore plus élevée". + Explorer plus loin

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