Electrolyte innovant et cathode organique ou soufrée pour une batterie Magnésium performante – MAIOSC

L'émergence d’une batterie magnésium commerciale présentant des performances concurrentielles à celles des batteries Li-ion est cependant conditionnée au développement de nouveaux électrolytes et matériaux d’électrode dépassant l'état de l’art actuel. En effet, l'utilisation de cations divalents, Mg2+, impose le développement de stratégies en rupture à celles développées pour le Li-ion, tant au niveau du design de nouveaux sels de magnésium que de matériaux d'électrode positive adaptés au caractère divalent du magnésium. Ainsi le projet MAIOSC vise à adresser ces verrous scientifiques et propose des électrolytes et des électrodes positives performantes comprenant soit un matériau organique, soit du soufre, couplés à une négative en magnésium métallique. Cet aspect matériaux innovants du projet est couplé à une approche fondamentale d'études des électrolytes et des interfaces électrode métallique Mg/électrolyte afin d'avancer dans la compréhension de l'effet de complexation en solution du magnésium II sur la réactivité aux interfaces par des mesures in situ et operando.

Différents anions obtenus par réaction entre BH4-et des dérivés du phénol (4 composés évalués) ou du thiophénol ont été synthétisés. L’utilisation du thiophénol permet d’obtenir une amélioration de la réversibilité de la réaction Mg/Mg2+. Pour ce qui concerne les composés p-conjugués, plus de 10 composés ont été évalués, les résultats les plus notables en termes de réversibilité de la réaction Mg/Mg2+ sont ceux obtenus avec l’anthracène et le ter-butyl anthracène à faible concentration.
Coté électrode organique positive, les composés Mg(Li2)-p-DHT et Li4-p-DHT ont été synthétisés et caractérisés. Les performances électrochimiques du Mg(Li2)-p-DHT et Li4-p-DHT ont été évaluées en, en cellules 3 électrodes Mg (en cellule Li pour comparaison). Si le comportement attendu a été obtenu en cellule Li, une très faible réversibilité est obtenue en électrode à cavité et en cellules Mg quel que soit l’électrolyte utilisé. La synthèse du polyhydroxybenzoquinonedisulfide (PHBQD) a été réalisée, ses propriétés électrochimiques ont été évaluées en version lithium et magnésium. En batterie lithium des capacités stables ont été obtenues en milieu sulfolane. En version Mg, une réversibilité est observée même si une perte de capacité notable est obtenue lors du cyclage. Cette diminution de la capacité semble être liée à une extraction difficile des Mg2+ de la structure polymérique.

Différents matériaux d'électrode positive vont être synthétisés à l'IMN de Nantes et caractérisés en électrode à cavité et cellule Mg au LEPMI. Les cibles sont des dérivés d'anthraquinone, de quinone (comme le thioazoloquinone) et de pyrène pour les sels organiques. Des MOFs vont également être évalués comme le CPO-27 et son homologue sulfuré qui intègrent le cation Mg2+. La caractérisation des interfaces Mg/électrolyte va être poursuivie. Les mécanismes électrochimiques associés à l'oxydation/réduction des composés organiques (électrode positive) vont être étudiés par des études operando couplant l'électrochimie à la spectroscopie (FTIR et Raman)

Oral présentation “Organic cathode based on quinone-sulfide polymer for both Li and Mg batteries”. A. Ngo et al. 237th ECS meeting, 10-14 May 2020. Annulé pour cause de COVID-19

Notre société moderne est largement tributaire des ressources en énergie. Les préoccupations environnementales liées à l'utilisation de combustibles fossiles ainsi que leur quantité limitée imposent le développement d’énergie électrique à partir de sources renouvelables. Ces sources renouvelables ont besoin d'un stockage d'énergie électrique pour pallier l'intermittence de leur production d'énergie. Le développement des véhicules hybrides et électriques accentue la demande d’un stockage efficace, écologique et économique de l'énergie électrique. Depuis leur apparition commerciale, les batteries Li-ion ont inondé le marché du stockage de l'énergie, la production de lithium a doublé au cours des dix dernières années Même si les réserves de lithium semblent être importantes, leurs concentrations dans certaines zones géographiques en font un métal stratégique. De plus, le lithium métal ne peut pas être utilisé, comme électrode négative ultime en présence d’un électrolyte liquide en raison de problèmes de sécurité liés à la formation de dendrites très réactives. De ce fait, le développement de dispositifs rechargeables utilisant des électrodes métalliques, plus stables est au cœur d’une activité de recherche qui s’est récemment intensifiée. Dans ce contexte concurrentiel, les batteries au magnésium présentent des caractéristiques très intéressantes, en termes de performances, de coût, de sécurité et de moindre impact sur l’environnement. L'émergence d’une batterie magnésium commerciale présentant des performances concurrentielles à celles des batteries Li-ion est cependant conditionnée au développement de nouveaux électrolytes et matériaux d’électrode dépassant l'état de l’art actuel. En effet, l'utilisation de cations divalents, Mg2+, impose le développement de stratégies en rupture à celles développées pour le Li-ion, tant au niveau du design de nouveaux sels de magnésium que de matériaux d'électrode positive adaptés au caractère divalent du magnésium. De nombreuses avancées scientifiques sont nécessaires pour proposer des électrolytes non corrosifs, stables électrochimiquement dans une large plage de potentiel, permettant la réversibilité de l’électrode de magnésium et des électrodes positives présentant des capacités et potentiel permettant des densités d'énergies élevées.
Ainsi le projet MAIOSC, "MAgnesium batteries with innovative electrolyte and efficient Organic or Sulfur Cathodes", vise à adresser ces verrous scientifiques et propose des électrolytes et des électrodes positives performantes comprenant soit un matériau organique, soit du soufre, couplés à une négative en magnésium métallique. En effet, contrairement aux matériaux actifs inorganiques, les matériaux d'électrode organiques et les électrodes de soufre s’adaptent bien au caractère divalent du Mg2+, et ouvre ainsi un large potentiel d’étude permettant le développement d'électrodes innovantes et performantes.
Cet aspect matériaux innovants du projet est couplé à une approche fondamentale d'études des électrolytes et des interfaces électrode métallique Mg/électrolyte afin d'avancer dans la compréhension de l'effet de complexation en solution du magnésium II sur la réactivité aux interfaces par des mesures in situ et operando.
De plus les solutions innovantes et performantes proposées dans le projet sont, respectueuses de l’environnement par l’utilisation d’une chimie verte pour la synthèse des matériaux d'électrode positive et permettront, à moyen terme, le développement de la technologie batterie magnésium.