MAGICIEN — MAGnésium-Ion: batteries haute Capacité Innovantes à base d’Electrodes négatives Nanostructurées

L'émergence des véhicules électriques et du stockage des énergies renouvelables afin de réduire notre impact sur l'environnement et remédier à la future pénurie de pétrole souligne le besoin d’une recherche fondamentale permettant d’augmenter la densité énergétique des batteries tout en diminuant leurs coûts et en améliorant leur sécurité. Le projet JCJC MAGICIEN propose l'exploration d'un concept novateur pour le stockage de l'énergie : les accumulateurs électrochimiques magnésium (Mg)-ion. Le magnésium apparaît comme une excellente alternative au lithium en raison de sa forte capacité spécifique, son faible coût, son abondance sur Terre et sa faible réactivité comparé au lithium offrant une meilleure sécurité. Bien que l'utilisation du magnésium sous forme de métal en tant qu’électrode négative pour batteries au Mg promette une capacité accrue, il n'existe pas à ce jour d'électrolytes qui soient à la fois compatibles avec le magnésium métallique à bas potentiel et avec les électrodes positives à haut potentiel. Les électrolytes conventionnels utilisés dans les batteries au Li interagissent fortement avec le magnésium métallique pour former une couche de surface bloquante à la surface du Mg métallique, inhibant les réactions électrochimiques réversibles dans la cellule. Un concept innovant pour résoudre ce problème est le remplacement de l’électrode en Mg métallique par un matériau compatible avec des solvants et solutions électrolytiques présentant de larges fenêtres de stabilité électrochimique. Les composés d’alliages avec le Mg, analogues aux alliages d’électrode négative dans le cas du Li, possèdent une stabilité appropriée dans les électrolytes classiques et des potentiels légèrement plus élevés que le Mg métallique pur. Leur capacité est plus faible que le Mg pur, mais encore suffisante pour assurer une augmentation substantielle de la capacité des batteries, si combinée avec une électrode positive à haute capacité. Dans ce projet, l’approche innovante est l’élaboration d’électrodes négatives à forte capacité innovantes et efficaces, à base d'alliages intermétalliques nanostructurés ou de composés type pnictures. Le premier objectif est la synthèse de nouveaux alliages intermétalliques binaires ou ternaires nanostructurés et de composés pnictures à base de Mg, jamais explorés dans la littérature, offrant des performances supérieures en cyclage (capacité, rendement coulombien) à l’état de l'art. La nanostructuration sera bénéfique pour le développement d’électrodes négatives très efficaces pour les batteries Mg-ion, accommodant les grandes variations de volume escomptés lors de la magnésiation du matériau et améliorant la diffusion lente des ions Mg2+ dans le solide. Un objectif important du projet est de parvenir à une compréhension fondamentale des mécanismes réactionnels d’insertion/désinsertion des nouveaux composés synthétisés. Une attention particulière sera également portée à la réactivité à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte. L’objectif est d’étudier les mécanismes responsables de la réactivité différente des alliages à l’égard des électrolytes conventionnels en comparaison du Mg métallique. Enfin, le dernier objectif est l'élaboration de batteries efficaces via l’optimisation des formulations d’électrode et d'électrolyte afin d’améliorer significativement les performances des matériaux. Les connaissances acquises dans le projet ouvriront la voie vers la conception de batteries post-Li-ion stables, efficaces et à faible coût.