Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie,
centre de recherche sur les batteries et supercondensateurs

Un matériau d'électrode à base de titane à l'activité électrochimique augmentée

Un matériau d'électrode à base de titane à l'activité électrochimique augmentée

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

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. C’est pourquoi des chercheurs du RS2E travaillent, au sein de la thématique Nouvelles Chimies, aux possibles alternatives à la technologie lithium-ion, comme des batteries au soufre, au sodium, à électrolytes solides, ... Ainsi, le développement des batteries à ions multivalents basées sur des éléments abondants sur Terre tels que le magnésium ou l’aluminium ont séduits les chercheurs. Leur avantage est que ces éléments présentent en théorie une plus grande densité d’énergie volumique, qui correspond à la quantité d’énergie pouvant être stockée ou transportée dans un volume donné. Ces dispositifs présentent cependant de nombreux challenges à relever, notamment le choix d’un matériau d’électrode capable d’insérer ces ions de manière réversible, condition sine qua none pour obtenir un matériau de batterie rechargeable et fonctionnelle.

L’introduction de défauts dans une structure cristalline

La recherche dans le domaine des batteries à ions multivalents s’attache donc notamment à élaborer de nouveaux matériaux capable d’accommoder ces ions positifs. En 2015, une équipe du laboratoire PHENIX de l’Université Pierre et Marie Curie a reporté l’introduction de lacunes de titane dans une structure cristalline de type anatase. En utilisant des méthodes de type sol-gel, les chercheurs ont pu stabiliser une très grande concentration de lacunes de titane (jusqu’à 22 %) par substitution des ions oxydes O2- par des ions monovalents (F-/OH-). Récemment, des chercheurs du PHENIX (Jiwei Ma, jeune chercheur, et Damien Dambournet, enseignant-chercheur), laboratoire associé du RS2E, se sont joints à une équipe de l’Université technique de Berlin pour travailler sur l’utilisation de ce matériau dans des batteries rechargeables à ions Mg2+ et Al3+. Les résultats ont été particulièrement concluants et ont permis de mettre en avant l’insertion sélective de ces ions dans les lacunes de titane. Alors que le composé pure TiO2 ne présente qu’une faible activité électrochimique, l’introduction de ces défauts permet d’obtenir des capacités jusqu’à six fois celle obtenue pour le composé pur. L’insertion d’ions aluminium dans ces défauts est aussi une avancée majeure dans ce type de dispositifs. L’ion aluminium, chargé 3+, présente une forte interaction avec le réseau hôte ce qui limite les propriétés de transport de ce cation. Ces travaux permettent ainsi de généraliser l’utilisation de défauts de structure pour permettre le développement de batteries à ions multivalents.

Référence :

Reversible magnesium and aluminium insertion in cation-deficient anatase TiO2

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. DOI : 10.1038/NMAT4976