Stockage de l'énergie innovant basé sur le magnésium et les électrolytes aqueux – MAGWAT

Les solutions aqueuses jouent un rôle clé dans le domaine de la biologie, de la chimie et plus particulièrement, dans les domaines liés à l'énergie tels que la photo et l'électro-catalyse et les batteries. Alors que les batteries aqueuses sont censées être contraintes par la fenêtre de stabilité électrochimique thermodynamique de l'eau (1,23 V vs NHE dans les conditions standard en l’absence de surtension), le concept d’électrolytes aqueux fortement concentrés en sels (WISEs) conduit à une augmentation impressionnante de la fenêtre de potentiel des batteries aqueuses au lithium. Ce phénomène est principalement lié à l'absence de molécules d'eau libres et au rôle crucial de l'interface électrode/électrolyte basée sur l’anion du sel dans la couche décrite par Helmholtz. Alors que les WISEs ouvrent la voie à des systèmes compétitifs et durables, ces solutions utilisent actuellement des sels coûteux et toxiques freinant dès lors leurs utilisations à l’échelle industrielle. Ce verrou technologique est également associé au manque de connaissances fondamentales sous-jacentes au concept WISE, qui doit encore être rationalisé pour un plus large panel de sels, ions et concentrations. Les cations multivalents et les sels associés sont une alternative intéressante, notamment ceux à base de magnésium, qui est plus sûr, moins cher et plus abondant que le lithium.
Pourtant, la seule batterie Mg aqueuse à base de WISEs reportée actuellement dans la littérature a été testée sur une fenêtre de potentiel optimisée de 2 V, n’offrant donc pas une très large augmentation de sa gamme d’utilisation et sans pour autant proposer une compréhension claire des mécanismes en jeu. Par conséquent, ce projet cible la fenêtre de potentiel des batteries aqueuses rechargeables Mg et vise à développer des solutions d'électrolytes innovantes et plus durables pour les batteries Mg. Avant tout, la compréhension du rôle de l'électrolyte et le contrôle des phénomènes aux interfaces sont essentiels et nécessitent des connaissances fondamentales sur la réactivité des WISEs.
L'objectif principal de MAGWAT est de déterminer si les batteries aqueuses au Mg à base de sels concentrés sont une technologie future viable. Précisément, les objectifs du projet sont de: 1) comprendre fondamentalement la réactivité des solutions aqueuses concentrées à base de sels de Mg par rapport à celles à base de Li, 2) appréhender les phénomènes se produisant au cœur des solutions et aux interfaces et 3) proposer et développer des électrolytes innovants pour pallier la faible solubilité des sels de Mg dans l’eau. Nous y parviendrons tout d'abord par une approche de compréhension à plusieurs échelles, comprenant des expériences pionnières telles que la radiolyse, la spectroscopie à rayons X synchrotron couplées à des calculs théoriques, où les grandeurs caractéristiques critiques des électrolytes seront extraites. Ces connaissances fondamentales serviront par la suite à la conception de solutions électrolytiques innovantes. Avec cette approche, nous prévoyons d'augmenter la fenêtre de potentiel des batteries Mg aqueuses rechargeables et ainsi de cibler le développement d'électrodes positives et négatives appropriées.
Ainsi, en développant des batteries rechargeables à base de Mg et d'eau, ce projet visera le développement de batteries plus écologiquement durables et sûres, utilisant des matériaux plus abondants et moins toxiques que ceux des batteries Li-ion actuelles. De plus, les avancées en terme de connaissances fondamentales et de stratégies innovantes auront un impact sur d'autres chimies de batteries et sur des domaines liés au stockage d'énergie tels que les supercondensateurs et la catalyse, ouvrant la voie à un stockage plus vert et plus sûr.