Une équipe de recherche à Hong Kong a réalisé une avancée significative dans le domaine des technologies de batteries. Ils ont développé une batterie à ions magnésium (Mg-ion) quasi-solide de haute performance. Ce design innovant offre une alternative durable, sûre et à haute densité d’énergie aux batteries lithium-ion conventionnelles, répondant aux limitations de rareté des matériaux et aux préoccupations de sécurité.
Une nouvelle approche pour les batteries à ions magnésium
La nouvelle batterie Mg-ion a été récemment présentée dans Science Advances. Cette technologie a le potentiel de transformer l’industrie. « C’est un développement qui change la donne », a précisé le professeur Leung.
Les batteries à ions Mg sont apparues ces dernières années comme une solution potentielle face aux limitations des batteries lithium-ion. Le développement de batteries Mg-ion efficaces a par contre été semé d’embûches, notamment la nécessité de surmonter la fenêtre électrochimique étroite dans les systèmes aqueux ou à base d’eau, et la faible conductivité ionique dans les systèmes non aqueux.
Surmonter les défis avec la batterie quasi-solide à ions magnésium
Face à ces obstacles, l’équipe du professeur Leung a développé une batterie Mg-ion à eau dans le sel avec une tension de fonctionnement supérieure à 2 V. Elle reste pour le moment encore en retrait par rapport à ses homologues non aqueux en raison de la dominance du proton sur le stockage des ions Mg dans la cathode.
« Les ions hydrogène, ou protons, sont plus petits et plus légers que les ions métalliques. En raison de leur taille, les protons peuvent facilement pénétrer dans la structure de la cathode de la batterie. Cependant, cela crée un problème car les protons et les ions Mg se disputent l’espace, ce qui limite considérablement la quantité d’énergie que la batterie peut stocker et sa durée de vie », a commenté Sarah Leong, doctorante dans l’équipe du professeur Leung et première auteure de l’étude.
Les efforts inlassables de l’équipe ont finalement porté leurs fruits avec l’introduction de la batterie à ions magnésium quasi-solide (QSMB), un design de batterie innovant qui utilise un électrolyte renforcé par un polymère pour contrôler la compétition entre les protons et les ions métalliques.
Performances impressionnantes de la QSMB
La QSMB présente un plateau de tension impressionnant à 2,4 V et une densité d’énergie de 264 W·h kg⁻¹, surpassant les performances des batteries Mg-ion actuelles et se rapprochant presque des performances des batteries Li-ion.
Le professeur Leung a souligné : « Notre batterie à ions magnésium quasi-solide combine le meilleur des deux mondes, offrant la haute tension des systèmes non aqueux et la sécurité et le coût-efficacité des systèmes aqueux. Elle représente une avancée majeure dans le développement de batteries à ions magnésium de haute performance. »
Pour mettre la QSMB à l’épreuve ultime, l’équipe de recherche a mené des tests de cyclage intensifs, avec des résultats étonnants. Même dans des conditions extrêmes de températures sous zéro (-22°C), la QSMB a conservé un impressionnant 90% de sa capacité après 900 cycles. La batterie est également non inflammable et résistante à une pression supérieure à 40 atmosphères. Ce niveau de durabilité et de performance fait de la QSMB un candidat prometteur pour l’électronique grand public, même dans les climats plus froids.
En synthèse
Dr Wending Pan, professeur assistant de recherche dans l’équipe du professeur Leung, estime que la technologie QSMB a le potentiel de remodeler le paysage du stockage d’énergie et d’alimenter notre monde de manière durable.
Il a conclu : « La stratégie avancée de développement d’électrolyte présentée dans notre recherche a un potentiel au-delà des batteries à ions magnésium, s’étendant à d’autres batteries à ions métalliques multivalents, comme les batteries à ions zinc et aluminium. Nous pensons que cette étude ouvrira la voie à la prochaine génération de solutions de stockage d’énergie qui sont non seulement efficaces, mais aussi respectueuses de l’environnement. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la batterie à ions magnésium quasi-solide (QSMB) ?
La QSMB est une conception innovante de batterie qui utilise un électrolyte renforcé par un polymère pour contrôler la compétition entre les protons et les ions métalliques. Elle offre une alternative durable, sûre et à haute densité d’énergie aux batteries lithium-ion conventionnelles.
Quels sont les avantages de la QSMB par rapport aux batteries lithium-ion ?
La QSMB offre la haute tension des systèmes non aqueux et la sécurité et le coût-efficacité des systèmes aqueux. Elle présente un plateau de tension impressionnant à 2,4 V et une densité d’énergie de 264 W·h kg⁻¹, surpassant les performances des batteries Mg-ion actuelles et se rapprochant presque des performances des batteries Li-ion.
Comment la QSMB a-t-elle été testée ?
L’équipe de recherche a mené des tests de cyclage intensifs. Même dans des conditions extrêmes de températures sous zéro (-22°C), la QSMB a conservé un impressionnant 90% de sa capacité après 900 cycles. La batterie est également non inflammable et résistante à une pression supérieure à 40 atmosphères.
Quel est le potentiel de la technologie QSMB ?
La technologie QSMB a le potentiel de remodeler le paysage du stockage d’énergie et d’alimenter notre monde de manière durable. Elle s’étend à d’autres batteries à ions métalliques multivalents, comme les batteries à ions zinc et aluminium.
Qui sont les principaux acteurs derrière cette innovation ?
L’équipe de recherche dirigée par le professeur Dennis Y.C. Leung du département de génie mécanique de l’Université de Hong Kong (HKU) est à l’origine de cette innovation. Sarah Leong, doctorante dans l’équipe du professeur Leung, et le Dr Wending Pan, professeur assistant de recherche dans l’équipe du professeur Leung, ont également joué un rôle clé.
Science Advances, « Next-generation magnesium-ion batteries: The quasi-solid-state approach to multivalent metal ion storage » – DOI: 10.1126/sciadv.adh1181
