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Batteries à ions multivalents : à la recherche d’une alternative au lithium

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Batteries à ions multivalents : à la recherche d’une alternative au lithium

Une équipe franco-allemande dont quatre chercheurs du laboratoire PHENIX (physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux) de l’UPMC est parvenue à modifier un oxyde de titane en introduisant des défauts dans la structure du composé. Une innovation qui permet d’envisager le développement de nouveaux matériaux pouvant être utilisé comme électrodes dans des batteries alternatives aux batteries au lithium, élément qui se raréfie sur terre. L’ensemble des résultats vient d’être publié dans la revue Nature Materials.

L’augmentation croissante de la demande en énergie place les dispositifs électrochimiques tels que les batteries, au centre de la transition énergétique. L’extraordinaire développement des batteries lithium-ion en est un exemple concret. Cependant, le spectre de l’épuisement des ressources en lithium pousse la communauté scientifique vers d’autres chimies, au-delà du lithium. Ainsi, le développement des batteries à ions multivalents basées sur des éléments abondants sur Terre tels que le magnésium ou l’aluminium séduit de plus en plus les chercheurs. Elles ont l’avantage de permettre de stocker une plus grande densité d’énergie dans un volume donné. Ces dispositifs présentent encore de nombreux challenges à relever, notamment le choix d’un matériau d’électrode capable d’insérer ces ions de manière réversible, condition sine qua non pour obtenir un matériau de batterie rechargeable et fonctionnelle.

Récemment, des chercheurs du laboratoire PHENIX (Jiwei Ma, jeune chercheur, et Damien Dambournet, enseignant-chercheur), ont reçu un financement du programme Sorbonne Emergence, et se sont joints à une équipe de l’université technique de Berlin pour travailler sur l’utilisation de l’oxyde de titane dans des batteries rechargeables à ions Mg2+ et Al3+. Ils sont parvenus à insérer ces ions dans la structure du titane après y avoir fait des « lacunes », soit de petits trous. Alors que le composé pure TiO2 ne présente qu’une faible activité électrochimique, l’introduction de ces défauts a permis d’obtenir des capacités jusqu’à six fois supérieures au composé exempt de défauts. Ces travaux permettent de généraliser l’utilisation de défauts de structure pour permettre le développement de batteries à ions multivalents. 

 

Illustration © Damien Dambournet : représentation d’une lacune de titane permettant l’insertion sélective d’ions Mg2+ ou Al3+. Les atomes de titane, d’oxygène, de fluor et magnesium/aluminuum sont respectivement représentés par les sphères bleues, rouges, verts et orange.

En savoir plus

Référence : Reversible magnesium and aluminium insertion in cation-deficient anatase TiO2Nouvelle fenêtre. T. Koketsu, J. Ma, Benjamin. J. Morgan, M. Body, C. Legein, W. Dachraoui, M. Giannini, M. Salanne, F. Dardoize, H. Groult, O.J. Borkiewicz, K.W. Chapman, P. Strasser, D. Dambounet -  Nature Materials, 18/09/2017



21/09/17