TMOL - Technologie Moléculaire pour des Matériaux Fonctionnels

Matériaux Moléculaires pour Batteries au Magnésium – MoMa

Approche de synthèse “Bottom-Up” pour la conception d’architectures hôtes pour batterie-ion.

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Développement of de matériaux d’électrode hôtes pour batterie Mg.

La demande globale pour de nouveaux systèmes performants de stockage électrochimique d’énergie est en forte croissance, poussée notamment par les problèmes environnementaux liés aux énergies fossiles et nucléaires. Les batteries au Mg suscitent en particulier beaucoup d’intérêt du fait de leur haute densité d’énergie et de l’abondance de cet élément sur terre. <br />Le développement de matériaux d’électrode capables d’intercaler de manière réversible les ions Mg2+ est un des défis majeurs pour le développement de batteries-Mg. A ce jour, seuls quelques composés ont été publiés et le développement de stratégies de synthèse nouvelles pour obtenir de tels matériaux représente donc un enjeu important. <br />Dans le projet MoMa, une approche de synthèse “bottom-up” est utilisée pour concevoir des architectures ouvertes capables d’insérer de manière réversible des ions, en particulier des ions Mg2+. Un des matériaux synthétisés répond particulièrement à nos attentes et pourrait contribuer à des développements technologiques ou industriels dans ce domaine. Par ailleurs, la stratégie de synthèse utilisée est suffisamment flexible pour être appliquée à la conception d’autres matériaux d’intercalation d’ions (e.g., Ca2+, Al3+).

Le développement de matériaux d’intercalation pour ion-Mg nécessite de construire des architectures possédant des nano-cavités pour le stockage du Mg2+ et des nano-canaux pour leur diffusion. Dans ce projet, nous avons exploré une méthode d’auto-assemblage de briques moléculaires fonctionnelles préformées pour obtenir des matériaux moléculaires répondant à ces exigences. Nous avons donc tenté d’assembler des clusters de coordinations susceptibles de stocker des électrons de manière contrôlée afin d’obtenir des polymères de coordination redox actifs et permettant la diffusion/le stockage d’ions Mg2+. Le groupe français (PI R. Lescouëzec) a conçu des nouveaux matériaux d’intercalation obtenus à partir de brique moléculaires à ligand cyanure. Le groupe japonais (PI M. Okubo) a étudié des performances électrochimiques des nouveaux matériaux.

L’utilisation d’architectures tridimensionnelles ouvertes, construites à partir de clusters de coordination pouvant stocker des électrons a permis l’intercalation réversible d’ion Mg. La différence de potentiel obtenue est remarquablement élevée par rapport à l’état de l’art, et conduit à une densité énergétique élevée pour une batterie Mg-ion. L’approche de synthèse par auto-assemblage de briques préformées s’avère donc prometteuse pour le développement de matériaux d’intercalation pour batterie-ion.

Nous avons démontré que des architectures 3D construites à partir de clusters de coordination pouvaient opérer comme cathode pour les batteries-Mg. Bien qu’ayant une faible capacité pour le moment, la haute différence de potentiel obtenue est remarquable et ce résultat devrait susciter l’intérêt des chercheurs travaillant sur les batteries-ions.
Par ailleurs, ces résultats remarquables sont très encourageant pour les chimistes de coordination qui sont à la recherche d’applications potentielles pour leurs matériaux moléculaires avancés. L’utilisation d’autres clusters et l’optimisation des synthèses devraient permettre d’améliorer les performances des électrodes, et ainsi contribuer au développement de nouvelles batteries.

Plamont R., Tami J., Jimenez J.R., Benchohra A., Khaled O., Li, Y. Gontard G., Lescouëzec R. (2018) J. Coord. Chem. DOI: 10.1080/00958972.2018.1442575 .
Jimenez J. R., Sugahara A., Okubo M., Yamada A., Lisnard L., Lescouëzec R. (2018)., submitted.

Le besoin mondial en méthodes avancées de stockage électrochimique de l’énergie ne cesse de s'affirmer, notamment en raison des inquiétudes liées à l’impact environnemental des combustibles fossiles ainsi qu’aux centrales nucléaires au sein du réseau électrique. De ce fait, les batteries au magnésium sont d’un intérêt majeur comme méthode potentielle de stockage de l’énergie au sein du réseau électrique. En effet le magnésium est un élément abondant sur terre et il possède une haute densité d’énergie.
Il est naturellement crucial pour les batteries au magnésium de posséder un matériau d’électrode qui permet l’intercalation d’ions Mg2+. Néanmoins, cette dernière est souvent défavorisée par les réactions d’oxydoréduction concomitantes ainsi que par la diffusion lente des ions dans le solide.
Au cours de ce projet, nous visons la conception de matériaux à charpente ouverte construits par l’assemblage raisonné de briques moléculaires pour l’intercalation d’ions Mg2+. L’utilisation de clusters de coordination spécifiques capables de réactions d’oxydoréduction multiélectroniques combinée à la conception de charpentes ouvertes pour favoriser la diffusion des cations permettra la préparation efficace de nouveaux matériaux d’intercalation des ions Mg2+.
En exploitant les outils de la chimie moléculaire, l’équipe française (Resp. R. Lescouëzec) concevra les nouveaux matériaux moléculaires d’intercalation par auto-assemblage de précurseurs moléculaires cyanométalliques. Par exemple la stratégie du « complexe(/cluster) comme ligand vs. complexe(/cluster) comme métal » sera explorée. Cette dernière a très largement prouvé son efficacité dans la préparation de matériaux moléculaires ainsi que dans la modulation de leurs propriétés.
Le groupe japonais (Resp. M. Okubo) sera en charge de l’étude électrochimique de l’intercalation des ions Mg2+ dans les nouveaux composés moléculaires préparés en France. L’équipe japonaise possède une grande expérience dans l’évaluation électrochimique des propriétés d’intercalation des matériaux.
Ce projet repose sur une collaboration internationale forte entre les équipes française et japonaise. Il bénéficiera de son caractère hautement coopératif avec le développement des « technologies moléculaires » françaises aux technologies de batteries japonaises. La combinaison à l’échelle internationale de ces savoir-faire français et japonais va contribuer au développement de nouveaux axes de recherche dans le domaine de l’électrochimie du solide, notamment l’intercalation des ions Mg2+. De plus, ce projet stimulera le développement de nouveaux matériaux d’intercalation du Mg2+ avec comme visée applicative, la réalisation de batteries au magnésium efficaces.

Coordinateur du projet

UNIVERSITE PARIS 6 (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UNIVERSITE PARIS 6
Department of Chemical System Engineering, School of Engineering

Aide de l'ANR 205 816 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2014 - 36 Mois

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