Les scientifiques ont découvert un nouvel état chimique de l'élément manganèse. Cet état chimique, proposé pour la première fois il y a environ 90 ans, permet une haute performance, une batterie sodium-ion à faible coût qui pourrait stocker et distribuer rapidement et efficacement l'énergie produite par les panneaux solaires et les éoliennes sur le réseau électrique.

Cette preuve directe d'un état de charge non confirmé auparavant dans un composant de batterie contenant du manganèse pourrait inspirer de nouvelles pistes d'exploration pour les innovations en matière de batteries.

Les expériences aux rayons X au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont joué un rôle clé dans la découverte. Les résultats de l'étude ont été publiés le 28 février dans la revue Communication Nature .

Des scientifiques du Berkeley Lab et de l'Université de New York ont ​​participé à l'étude, dirigée par des chercheurs de Natron Energy, anciennement Alveo Energy, un Palo Alto, Entreprise californienne de technologie de batterie.

La batterie fournie par Natron Energy pour l'étude présente une conception non conventionnelle pour une anode, qui est l'une de ses deux électrodes. Par rapport aux conceptions relativement matures des anodes utilisées dans les batteries lithium-ion, les anodes pour batteries sodium-ion restent un axe actif de R&D.

L'anode présentée dans cette dernière étude est composée d'un mélange d'éléments - dont du manganèse, carbone et azote - qui est chimiquement similaire à la formule du pigment de peinture contenant du fer connu sous le nom de bleu de Prusse.

"Typiquement, dans les batteries lithium-ion et sodium-ion, l'anode est le plus souvent à base de carbone, " a déclaré Wanli Yang, un scientifique de l'Advanced Light Source de Berkeley Lab, la source des rayons X qui ont été utilisés dans les expériences de batterie.

Mais dans ce cas, les deux électrodes de la batterie utilisent le même type de matériaux à base d'éléments appelés "métaux de transition" qui sont utiles en chimie car ils peuvent présenter divers états de charge. L'autre électrode, appelé cathode, contient du cuivre, azote, carbone, et fer.

"La partie très intéressante ici est que les deux électrodes sont basées sur la chimie des métaux de transition dans le même type de matériaux, " il ajouta, avec du fer dans la cathode et une chimie spéciale du manganèse dans l'anode.

"L'un des avantages directs de l'utilisation de tels matériaux pour les deux électrodes de la batterie est qu'aucune des deux électrodes ne limite fondamentalement la capacité de puissance, Cycle de vie, ou le coût de l'appareil, " a déclaré Colin Wessells, PDG de Natron Énergie. La batterie surpasse les objectifs de durée de vie et de prix du ministère de l'Énergie pour le stockage d'énergie à l'échelle du réseau, comme le rapportent les chercheurs dans leur dernière étude.

Wessells a noté que la batterie est très stable, ses matériaux sont abondants, son coût global est compétitif par rapport aux batteries plomb-acide conventionnelles, et il a une empreinte environnementale moindre que les batteries conventionnelles.

Il a été démontré que la batterie fournit jusqu'à 90 pour cent de son énergie totale dans un très rapide, décharge de cinq minutes, et de conserver environ 95 % de sa capacité de décharge pendant 1, 000 cycles. Il offre une alternative aux systèmes de stockage d'énergie par gravité pour le réseau électrique, dans lequel l'eau est pompée en amont puis libérée en aval à la demande pour produire de l'électricité.

Juste comment la batterie atteint ses hautes performances, bien que, avaient intrigué les chercheurs.

Il y avait des spéculations, datant d'un article de journal en allemand de 1928, que le manganèse pourrait exister dans un état dit "1-plus" ou "monovalent", ce qui signifie qu'un atome de manganèse dans cet état ne perd qu'un seul électron. C'est inhabituel, comme les atomes de manganèse sont généralement connus pour céder deux électrons ou plus, ou pas d'électrons, dans les réactions chimiques, mais pas un seul.

Un tel nouvel état chimique permettrait une plage de tension utile pour les anodes de batterie. Mais aucune mesure n'avait confirmé cette forme monovalente de manganèse.

Les chercheurs de Natron Energy ont étudié les matériaux de la batterie à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de nanosciences, et a ensuite proposé des échantillons de cellules de batterie pour étude à l'ALS.

La première série d'expériences aux rayons X à l'ALS, qui utilisait une technique appelée spectroscopie d'absorption des rayons X mous, semblait montrer principalement la forme 2-plus du manganèse.

"Nous n'avons capté qu'un indice (d'une autre forme) dans les tests initiaux, et a dû s'appuyer fortement sur la théorie pour spéculer sur un état différent, " a déclaré Andrew Wray à l'Université de New York, qui a effectué les calculs théoriques.

Ensuite, l'équipe s'est tournée vers un système nouvellement construit à l'ALS, appelée diffusion inélastique résonnante des rayons X in situ, ou iRIXS. La technique, qui fournit une sonde à haute sensibilité de la chimie interne des matériaux, a montré un contraste révélateur dans les électrons pendant les cycles de charge et de décharge de la batterie.

« Un contraste très net apparaît immédiatement avec RIXS, " a déclaré Yang. "Nous avons réalisé plus tard que le manganèse 1-plus se comporte très, très proche de l'état 2-plus typique dans d'autres spectroscopies conventionnelles, " c'est pourquoi il avait été difficile à détecter pendant tant de décennies.

Wray ajouté, "L'analyse des résultats du RIXS confirme non seulement l'état manganèse 1-plus, mais montre également que les circonstances particulières à l'origine de cet état facilitent le déplacement des électrons dans le matériau. C'est probablement pourquoi une électrode de batterie aussi inhabituelle fonctionne tellement bien."

Des prototypes commerciaux basés sur la batterie testée au laboratoire sont entrés en test bêta client plus tôt cette année, Wessells a noté. En plus des applications de grille, Natron Energy fait la promotion de la technologie d'alimentation de secours des centres de données, et pour les équipements lourds tels que les chariots élévateurs électriques, entre autres applications possibles.

Yang a déclaré que le casse-tête chimique résolu dans la dernière étude pourrait inspirer d'autres R&D sur de nouveaux types d'électrodes de batterie. « Le fonctionnement d'une batterie pourrait entraîner l'émergence d'états chimiques atypiques qui n'existent pas dans notre pensée conventionnelle. Cette compréhension de base pourrait déclencher d'autres conceptions novatrices, et ouvrir nos yeux au-delà de notre sagesse conventionnelle" sur les matériaux d'électrode, il a dit.

"Cette étude était comme un package parfait, avec l'industrie combinée, laboratoire national, et contributions universitaires, " a dit Yang.