Batteries Mg-ion/Soufre avec électrodes d'alliage – MISTRALE

Dans la quête d'une meilleure gestion de l'énergie, les systèmes « post-lithium » émergent. L'explosion de la production de batteries Li-ion peut se heurter à des problèmes de durabilité (ressources, recyclage) et donc des fluctuations de coûts. Il est important d’étudier des dispositifs alternatifs, rassemblant des matériaux d’électrodes et des électrolytes économiques, sûrs et performants.

Les batteries au magnésium connaissent depuis quelques années un regain d’intérêt. Néanmoins, la diffusion limitée des ions dans les structures hôtes classiques (oxydes lamellaires, composés polyanioniques) demeurent un frein au développement de tels systèmes. L’utilisation de matériaux d’électrode de conversion comme le soufre est une solution alternative. De plus, la combinaison d’une anode en magnésium et d’une cathode soufrée répond aux critères cités auparavant. Cependant, les propriétés chimiques particulières de ces éléments, en particulier la passivation du magnésium, orientent la conception d’électrolyte vers des formulations complexes et/ou corrosives, donc peu adaptées à une industrialisation future. Le concept du projet MISTRALE est de remplacer le magnésium par des alliages MgxM afin de permettre l'utilisation d'électrolytes plus conventionnels et sûrs. De plus, la mise en forme d’électrode à partir de poudre d’alliages est plus facile qu’avec du magnésium métal, ce qui là aussi laisse possible un éventuel transfert à la production à large échelle.

En effet, certains éléments du bloc p peuvent réagir électrochimiquement avec le magnésium pour former des alliages. Les capacités spécifiques et/ou volumétriques sont souvent très importantes, et les fortes variations de volume liées à la réaction d’alliage peuvent être minimisées avec une formulation d’électrode adéquate. Evidemment les densités d’énergies théoriques des batteries MgxM/S seront moindres que pour un système idéal Mg/S, mais cette baisse demeure faible et peut-être acceptée si un transfert industriel demeure envisageable (ce qui n’est pas le cas avec les systèmes Mg/S actuellement présentés dans la littérature).

L’organisation du projet MISTRALE s’appuie sur une méthodologie déjà éprouvée, avec tout d’abord une revue des alliages MgxM (synthèses, morphologie, et mise en forme d’électrode) et de formulation électrolytiques simples (principalement un sel de magnésium dissous dans un solvant organique). Dans un second temps, les matériaux d’électrode et les électrolytes sélectionnés seront intégrés dans des batteries complètes, avec des électrodes positives à base de soufre. La caractérisation physico-chimiques fine des phénomènes ayant lieu au sein des matériaux d’électrode ou aux interfaces électrode-électrolyte sera une étape importante afin de pouvoir évaluer l’influence de la présence d’un alliage à la place du magnésium sur les phénomènes de dissolution et réduction des espèces polysulfures, qui habituellement participent à la baisse progressive des performances dans les systèmes métal/soufre.
Si la plupart des tests électrochimiques seront réalisés dans des piles boutons, le passage à des « pouch cells » est envisagé en fin de projet, comme première étape indispensable avant une éventuelle étude de prototypage.