Stockage de l’énergie innovant basé sur le magnésium et les électrolytes aqueux
Les solutions aqueuses jouent un rôle clé dans le domaine de la biologie, de la chimie et plus particulièrement, dans les domaines liés à l’énergie tels que la photo et l’électro-catalyse et les batteries. Alors que les batteries aqueuses sont censées être contraintes par la fenêtre de stabilité électrochimique thermodynamique de l’eau (1,23 V vs NHE dans les conditions standard en l’absence de surtension), le concept d’électrolytes aqueux fortement concentrés en sels (WISEs) conduit à une augmentation impressionnante de la fenêtre de potentiel des batteries aqueuses au lithium. Ce phénomène est principalement lié à l’absence de molécules d’eau libres et au rôle crucial de l’interface électrode/électrolyte basée sur l’anion du sel dans la couche décrite par Helmholtz. Alors que les WISEs ouvrent la voie à des systèmes compétitifs et durables, ces solutions utilisent actuellement des sels coûteux et toxiques freinant dès lors leurs utilisations à l’échelle industrielle. Ce verrou technologique est également associé au manque de connaissances fondamentales des WISEs, qui doivent encore être rationalisés pour un plus large panel de sels, d’ions et de concentrations. Les cations multivalents et les sels associés sont une alternative intéressante, notamment ceux à base de magnésium, qui est plus sûr, moins cher et plus abondant que le lithium.
Pourtant, les seules batteries Mg aqueuses à base de WISEs reportées actuellement dans la littérature ont été testées sur une fenêtre de potentiel de 2 V, n’offrant donc pas une très large augmentation de sa gamme d’utilisation, et ne proposant pas une compréhension claire des mécanismes en jeu. Par conséquent, ce projet cible la fenêtre de potentiel des batteries aqueuses rechargeables au Mg et vise à développer des solutions d’électrolytes innovantes et plus durables pour les batteries Mg. Avant tout, la compréhension du rôle de l’électrolyte et le contrôle des phénomènes aux interfaces sont essentiels et nécessitent des connaissances fondamentales sur la réactivité des WISEs.
L’objectif principal de MAGWAT est de déterminer si les batteries aqueuses au Mg à base de sels concentrés sont une technologie future viable. Précisément, les objectifs du projet sont de: 1) comprendre fondamentalement la réactivité des solutions aqueuses concentrées à base de sels de Mg par rapport à celles à base de Li, 2) appréhender les phénomènes se produisant dans le bulk et aux interfaces et 3) proposer et développer des électrolytes innovants pour pallier la faible solubilité des sels de Mg dans l’eau. Nous y parviendrons tout d’abord par une approche de compréhension à plusieurs échelles, comprenant des expériences pionnières telles que la radiolyse, la spectroscopie à rayons X synchrotron couplées à des calculs théoriques, où les grandeurs caractéristiques critiques des électrolytes seront extraites. Ces connaissances fondamentales serviront par la suite à la conception de solutions électrolytiques innovantes. Avec cette approche, nous prévoyons d’augmenter la fenêtre de potentiel des batteries Mg aqueuses rechargeables et ainsi de cibler le développement d’électrodes positives et négatives appropriées.
Ainsi, en développant des batteries rechargeables à base de Mg et d’eau, ce projet visera le développement de batteries plus écologiquement durables et sûres, utilisant des matériaux plus abondants et moins toxiques que ceux des batteries Li-ion actuelles. De plus, les avancées en terme de connaissances fondamentales et de stratégies innovantes auront un impact sur d’autres chimies de batteries et sur des domaines liés au stockage d’énergie tels que les supercondensateurs et la catalyse, ouvrant la voie à un stockage plus vert et plus sûr.
Coordination du Projet
Magali GAUTHIER (NIMBE\LEEL)
Partenaire
Sophie le Caer (NIMBE\LIONS)
PCM2E Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux et des Electrolytes Pour L’Energie