Des chercheurs japonais ont surmonté un obstacle majeur pour les batteries magnésium-air. Grâce à une nouvelle cathode en graphène et à un électrolyte à l'état solide, une technologie de batterie peu coûteuse, basée sur le magnésium, une ressource abondante, se rapproche soudainement beaucoup plus des applications pratiques.
Les batteries domestiques, les voitures électriques et le stockage d'énergie à grande échelle dépendent aujourd'hui presque entièrement du lithium. Ce métal a rendu possible la transition énergétique ces dernières années, mais il pose également des défis : hausse des prix, dépendance géopolitique vis-à-vis de l'exploitation minière et risques pour la sécurité en cas d'endommagement des batteries.
Des chercheurs de l'université de Tsukuba pensent avoir franchi une étape importante vers une alternative. Selon l'étude, publiée dans le Chemical Engineering Journal, ils ont mis au point une nouvelle batterie magnésium-air qui surmonte un problème de stabilité tenace qui a freiné cette technologie pendant des années.
Le magnésium, une alternative intéressante
Le magnésium est depuis longtemps considéré comme une alternative intéressante au lithium. Ce métal est largement disponible dans le monde entier, relativement bon marché et peut, en théorie, stocker beaucoup d'énergie par unité de volume.
À l'instar d'autres batteries air, elles utilisent l'oxygène de l'air ambiant comme composant actif au niveau de la cathode. De ce fait, ce matériau n'a pas besoin d'être stocké dans la batterie elle-même, ce qui permet de réduire le poids et la complexité.
En théorie, ces systèmes peuvent atteindre des densités énergétiques comparables à celles des batteries lithium-air, l’un des concepts de batterie les plus prometteurs mais encore expérimentaux. Pourtant, les batteries magnésium-air sont restées jusqu’à présent surtout une promesse académique.
Un problème de longue date
Le principal défi résidait dans l'électrolyte — le milieu qui transporte les ions entre l'anode et la cathode. De nombreux systèmes au magnésium utilisent des ions chlorure pour permettre ce transport. Cependant, ces mêmes ions provoquent également une chloration interne, un processus chimique qui détériore lentement les composants de la batterie. La capacité diminue donc rapidement après plusieurs cycles de charge et de décharge.
La cathode s'est avérée particulièrement vulnérable à ce processus. Cela rendait difficile le fonctionnement stable à long terme des batteries magnésium-air, et donc leur utilisation pratique.
Problème résolu
Les chercheurs ont décidé de se concentrer spécifiquement sur ce point faible. Leur solution consiste en une cathode en graphène poreux dopé à l'azote. Le graphène est connu pour sa conductivité électrique élevée et sa grande résistance mécanique. En rendant le matériau poreux et en le dopant à l'azote, on obtient une structure présentant plusieurs avantages :
- une activité catalytique élevée pour les réactions avec l'oxygène
- une grande surface réactive
- une meilleure résistance aux attaques chlorures
La structure poreuse offre en outre de l'espace pour les produits de décharge et facilite le transport de l'oxygène et des ions. Cela s'avère crucial pour des cycles de charge et de décharge stables.
Lors d'expériences, la nouvelle cathode a même surpassé les modèles traditionnels à base de platine, un métal précieux souvent utilisé comme catalyseur mais coûteux et sensible à la dégradation.
Comparable aux concepts à l'état solide
Outre la nouvelle cathode, l'équipe a introduit une autre modification importante : un électrolyte polymère-gel à base de chlorure de magnésium. Au lieu d'un électrolyte liquide, les chercheurs ont utilisé un gel semi-solide. Cela offre plusieurs avantages, tels qu'un risque de fuite réduit, une meilleure stabilité mécanique et une sécurité accrue en cas de dommage.
Cela rend le système comparable à d'autres concepts de batteries à l'état solide, qui ont suscité beaucoup d'intérêt ces dernières années car elles peuvent être plus sûres et plus robustes que les batteries lithium-ion traditionnelles. L'anode est constituée de magnésium métallique disponible dans le commerce, ce qui rend la conception relativement simple et peu coûteuse.
La batterie continue de fonctionner lorsqu'elle est pliée
Un détail frappant ressort des expériences : la flexibilité mécanique du système. Lors des tests, la batterie a continué de fonctionner lorsqu'elle a été pliée à environ 120 degrés, sans perte notable de performances. Aucune fuite d'électrolyte n'a non plus été observée.
Cela indique que l'électrolyte de type gel est non seulement plus stable chimiquement, mais aussi plus robuste mécaniquement que les systèmes liquides traditionnels. Outre les véhicules électriques et le stockage d'énergie stationnaire, cela ouvre la voie à des applications potentielles dans l'électronique flexible et les appareils portables.
Un long chemin vers la commercialisation
Bien que les résultats soient prometteurs, cela ne signifie pas pour autant que les batteries magnésium-air feront bientôt leur apparition massive sur le marché. Des recherches doivent encore démontrer que la technologie peut supporter des milliers de cycles de charge, être transposée à des packs de batteries plus grands et être produite de manière rentable.
Néanmoins, cette étude montre que l'un des principaux obstacles techniques peut être surmonté. Si cela s'avère possible à grande échelle, la batterie magnésium-air pourrait devenir l'une des alternatives les plus intéressantes au stockage à base de lithium.