11.08.2022 - Tokyo University of Science

Un nouveau conducteur superionique au magnésium pour des batteries solides sans lithium

Des scientifiques démontrent pour la première fois un conducteur d'ions magnésium à base de cadre métallo-organique présentant une conductivité superionique même à température ambiante.

Le développement de dispositifs de stockage d'énergie hautement efficaces, capables de stocker des énergies renouvelables, est crucial pour un avenir durable. Dans le monde d'aujourd'hui, les batteries solides rechargeables à ions de lithium (Li+) sont à la pointe de la technologie. Mais le lithium est un métal des terres rares, et la dépendance de la société à l'égard de cet élément risque d'entraîner une diminution rapide des ressources et une hausse des prix.

Les batteries à base d'ions magnésium (Mg2+) ont gagné du terrain comme alternative au Li+. La croûte terrestre contient beaucoup de magnésium, et les dispositifs énergétiques à base de Mg2+ sont réputés avoir des densités d'énergie élevées, une grande sécurité et un faible coût. Mais la large application du Mg2+ est limitée par sa faible conductivité dans les solides à température ambiante. Le Mg2+ a une faible conductivité à l'état solide parce que les ions positifs divalents (2+) ont de fortes interactions avec leurs ions négatifs voisins dans un cristal solide, ce qui empêche leur migration à travers le matériau.

Cet obstacle a récemment été surmonté par une équipe de chercheurs 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 conducteur solide de Mg2+ avec une conductivité superionique de 10-3 S cm-1 (le seuil pour une application pratique dans les batteries solides). Cet ordre de grandeur de la conductivité pour les conducteurs Mg2+ est le plus élevé rapporté à ce jour. Selon le professeur associé junior Masaaki Sadakiyo de TUS, qui a dirigé l'étude, "Dans ce travail, nous avons exploité une classe de matériaux appelés cadres métallo-organiques (MOF). Les MOF ont des structures cristallines très poreuses, qui fournissent l'espace nécessaire à une migration efficace des ions inclus. Ici, nous avons en outre introduit une "molécule invitée", l'acétonitrile, dans les pores du MOF, ce qui a permis d'accélérer fortement la conductivité du Mg2+." Le groupe de recherche comprenait également M. Yuto Yoshida, également de la TUS, le professeur Teppei Yamada de l'Université de Tokyo, ainsi que le professeur adjoint Takashi Toyao et le professeur Ken-ichi Shimizu de l'Université Hokkaido. L'article 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 des ions Mg2+ dans ses nanopores. Dans l'électrolyte à base de MOF qui en résulte, le Mg2+ était faiblement emballé, permettant ainsi la migration des ions Mg2+ divalents. 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 (CA) pour mesurer la conductivité ionique. Ils ont constaté que l'électrolyte Mg2+ présentait une conductivité superionique de 1,9 × 10-3 S cm-1. Il s'agit de la plus haute conductivité jamais rapportée pour un solide cristallin contenant du Mg2+.

Pour comprendre le mécanisme à l'origine de 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 le cadre ont permis la migration efficace des ions Mg2+ à travers le corps de l'électrolyte solide.

Les résultats de cette étude révèlent non seulement que le nouveau conducteur de Mg2+ à base de MOF est un matériau approprié pour les applications de batteries, mais ils fournissent également des informations essentielles sur le développement des futures batteries solides."Pendant longtemps, les gens ont cru que les ions divalents ou de valence supérieure ne pouvaient pas être transférés efficacement à travers un solide. Dans cette étude, nous avons démontré que si la structure cristalline et le milieu environnant sont bien conçus, il est possible de trouver un conducteur solide à haute conductivité", explique le Dr Sadakiyo.

Interrogé sur les projets futurs du groupe de recherche, il révèle : "Nous espérons contribuer davantage à la société en développant un conducteur divalent à conductivité ionique encore plus élevée."

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