Minuscule, des particules désordonnées d'oxyde de magnésium et de chrome peuvent détenir la clé de la nouvelle technologie de stockage d'énergie des batteries au magnésium, qui pourraient posséder une capacité accrue par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles, trouver des chercheurs de l'UCL et de l'Université de l'Illinois à Chicago.

L'étude, publié aujourd'hui dans Nanoéchelle , rapporte une nouvelle, procédé évolutif de fabrication d'un matériau capable de stocker de manière réversible des ions magnésium à haute tension, la caractéristique déterminante d'une cathode.

Alors qu'il n'en est qu'à ses débuts, les chercheurs disent qu'il s'agit d'un développement important dans la transition vers les batteries à base de magnésium. À ce jour, très peu de matériaux inorganiques ont montré une élimination et une insertion réversibles du magnésium, qui est la clé pour que la batterie au magnésium fonctionne.

"La technologie lithium-ion atteint la limite de ses capacités, il est donc important de rechercher d'autres chimies qui nous permettront de construire des batteries avec une plus grande capacité de stockage et un design plus fin, " a déclaré le co-auteur principal, Dr Ian Johnson (UCL Chimie).

« La technologie des batteries au magnésium a été présentée comme une solution possible pour fournir des batteries de téléphone et de voiture électrique plus durables, mais obtenir un matériau pratique à utiliser comme cathode a été un défi."

Un facteur limitant les batteries lithium-ion est l'anode. Des anodes en carbone de faible capacité doivent être utilisées dans les batteries lithium-ion pour des raisons de sécurité, car l'utilisation d'anodes en lithium métal pur peut provoquer des courts-circuits et des incendies dangereux.

En revanche, les anodes métalliques en magnésium sont beaucoup plus sûres, ainsi, associer du magnésium métallique à un matériau de cathode fonctionnel rendrait une batterie plus petite et stockerait plus d'énergie.

Des recherches antérieures utilisant des modèles informatiques ont prédit que l'oxyde de magnésium et de chrome (MgCr2O4) pourrait être un candidat prometteur pour les cathodes de batterie Mg.

Inspiré par ce travail, Les chercheurs de l'UCL ont produit un ~5 nm, matériau d'oxyde de magnésium et de chrome désordonné dans une réaction très rapide et à relativement basse température.

Des collaborateurs de l'Université de l'Illinois à Chicago ont ensuite comparé son activité de magnésium avec une matériau d'oxyde de magnésium-chrome commandé ~7 nm de large.

Ils ont utilisé une gamme de techniques différentes, y compris la diffraction des rayons X, Spectroscopie d'absorption des rayons X et méthodes électrochimiques de pointe pour voir les changements structurels et chimiques lorsque les deux matériaux ont été testés pour l'activité du magnésium dans une cellule.

Les deux types de cristaux se sont comportés très différemment, avec les particules désordonnées présentant une extraction et une insertion réversibles de magnésium, par rapport à l'absence d'une telle activité dans les plus grandes, cristaux ordonnés.

"Cela suggère que l'avenir des batteries pourrait résider dans des structures désordonnées et non conventionnelles, ce qui est une perspective passionnante et que nous n'avons pas explorée auparavant, car le désordre entraîne généralement des problèmes dans les matériaux de batterie. Cela met en évidence l'importance de voir si d'autres matériaux structurellement défectueux pourraient offrir de nouvelles opportunités pour la chimie des batteries réversibles », a expliqué le professeur Jawwad Darr (UCL Chemistry).

"Nous constatons que l'augmentation de la surface et l'inclusion du désordre dans la structure cristalline offrent de nouvelles voies pour une chimie importante par rapport aux cristaux ordonnés.

Classiquement, l'ordre est souhaité pour fournir des voies de diffusion claires, permettant aux cellules d'être chargées et déchargées facilement, mais ce que nous avons vu suggère qu'une structure désordonnée introduit de nouvelles, voies de diffusion accessibles qui doivent être approfondies, " a déclaré le professeur Jordi Cabana (Université de l'Illinois à Chicago).

Ces résultats sont le produit d'une nouvelle collaboration passionnante entre des chercheurs britanniques et américains. L'UCL et l'Université de l'Illinois à Chicago ont l'intention d'étendre leurs études à d'autres matériaux de grande surface, pour permettre des gains supplémentaires dans la capacité de stockage du magnésium et développer une batterie au magnésium pratique.