L’électrification automobile et le stockage des énergies renouvelables sont aujourd’hui dominés par la technologie des batteries Li-ion, qui dépend de ressources comme le lithium, le graphite, le cuivre et certains métaux de transition disponibles en quantités limitées et/ou géographiquement inégalement répartis. Des nouvelles technologies de batterie basées sur d’autres ions alcalins ou alcalino-terreux avec des ressources quasi illimitées peuvent au long terme partiellement remplacer les batteries Li-ion pour certaines applications. Les batteries magnésium-ion sont l’une de ces technologies alternatives, en raison de la forte abondance du magnésium et des fortes capacités volumétrique et gravimétrique qui peuvent être atteintes.
Dans la lignée de premiers travaux sur le composé InSb, une équipe de l’IRAMIS a développé un nouveau matériau d’électrode négative pour les batteries Mg-ion basé sur le composé In-Pb. La combinaison synergique des éléments électro-actifs In et Pb influence les mécanismes de réaction et la structure (amorphe/cristallin) des produits formés lors de la réaction avec le Mg. Ceci favorise une capacité élevée, mais est par la suite préjudiciable à la réversibilité du matériau. Ces résultats illustrent l’influence des processus d’amorphisation et de cristallisation des électrodes sur les performances électrochimiques des batteries.
L’essor de secteurs tels que les véhicules électriques et le stockage d’énergies renouvelables est un moteur pour la recherche sur les batteries, où des efforts se concentrent désormais au développement de batteries plus durables et à densité d’énergie élevée. Un exemple est le développement de batteries au magnésium métal (Mg). Le magnésium apparaît comme une excellente alternative au lithium, grâce notamment à sa haute capacité volumétrique (3833 mAh/cm3), son faible coût et son abondance dans la croute terrestre. Pour ces batteries, l’utilisation de magnésium métallique à l’anode limite le choix de l’électrolyte à quelques compositions particulières, souvent très corrosives et avec une fenêtre de stabilité en potentiel très étroite. Au contraire, les électrodes constituées de certains éléments du bloc p réagissent avec les ions magnésium dans des électrolytes avec des fenêtres de stabilité plus étendues. Dans une récente revue perspective sur les accumulateurs Mg-ion, contribution de plusieurs groupes internationaux incluant le NIMBE/LEEL, il est montré que l’utilisation de ces alliages en remplacement du Mg métal réduit la densité d’énergie de la cellule électrochimique (voir figure ci-dessous). Mais, grâce à une meilleure compatibilité avec les électrolytes et une mise en œuvre plus simple, ils constituent des anodes potentiellement intéressantes pour les batteries Mg-ion et des effets synergétiques sont attendus pour les combinaisons d’éléments du bloc p.
Après avoir proposé un premier alliage à base d’InSb [3], l’équipe du LEEL a exploré la solution solide In-Pb [1] pour déterminer si, à l’instar de InSb, un effet bénéfique existait entre les 2 éléments In et Pb. Dans un premier temps, il est montré que la synthèse du matériau influençait grandement sa réactivité. Une poudre In-Pb produite par mécano-synthèse avec des tailles de particules > 200 µm ne conduit à aucune réaction avec les ions Mg2+ (voir figure ci-dessous). En introduisant du carbone dans la synthèse par broyage, la taille des particules est réduite d’un facteur 20 à 40 et les grains In-Pb deviennent électrochimiquement actif.
