fr.wedoany.com Rapport : L'équipe du professeur Pan Feng de l'École des nouveaux matériaux de l'Institut de recherche de Shenzhen de l'Université de Pékin, en collaboration avec d'autres chercheurs, a proposé une stratégie de « délocalisation des contraintes » et développé une batterie de stockage d'énergie à ions magnésium en milieu aqueux, à haute sécurité et à longue durée de vie, atteignant 75 000 cycles. L'équipe a introduit un dopage au tantale dans des réseaux de nanotubes de trioxyde de molybdène pour préparer un matériau d'électrode en oxyde de molybdène-tantale (MoTaOx). Les résultats de ces recherches ont été récemment publiés dans le Journal of the American Chemical Society.
Les batteries aqueuses utilisent un électrolyte à base d'eau et présentent une résistance intrinsèque au feu, constituant une direction technologique largement étudiée dans le domaine du stockage d'énergie sûr. Les batteries aqueuses traditionnelles, représentées par le plomb-acide et le nickel-hydrure métallique, ont déjà été appliquées au démarrage automobile et aux dispositifs civils, mais leur densité énergétique est extrêmement faible. Parmi les nouveaux systèmes de batteries aqueuses, les batteries aqueuses à ions magnésium présentent un potentiel pour construire des systèmes à haute densité d'énergie volumique tout en maintenant la stabilité du réseau cristallin, grâce à l'abondance crustale élevée du magnésium, à son faible coût et à son petit rayon ionique. Cependant, leur commercialisation est depuis longtemps entravée par une dégradation cyclique sévère et une densité d'énergie réelle bien inférieure à la valeur théorique. Bien que divers matériaux de cathode aient été explorés, la manière d'atténuer l'accumulation de contraintes induite par l'insertion d'ions et de réaliser une longue durée de vie reste un défi majeur dans ce domaine.
L'équipe de recherche a découvert que le dopage par des atomes de tantale introduit des lacunes d'oxygène à proximité des sites d'oxygène terminaux. Ces lacunes d'oxygène peuvent adsorber et dissocier les molécules d'eau intercalaires, permettant aux groupes hydroxyle de tantale et aux molécules d'eau de former des complexes par liaisons hydrogène, réduisant ainsi la barrière d'énergie cinétique pour la diffusion des ions magnésium hydratés. Parallèlement, l'arrangement ordonné et la dissociation des molécules d'eau intercalaires peuvent atténuer l'expansion intercouche et les contraintes internes provoquées par la co-insertion des ions magnésium hydratés. Ces mécanismes constituent la base du stockage d'énergie de l'électrode MoTaOx.
Grâce à des canaux de transport ionique optimisés et à une capacité efficace de délocalisation des contraintes, l'électrode MoTaOx présente une capacité de 300 mAh/g à une densité de courant de 0,15 A/g, et maintient une stabilité électrochimique élevée après 75 000 cycles, avec une capacité cumulée atteignant 7,2 Ah/g, dépassant largement les meilleurs niveaux rapportés à ce jour. L'équipe conjointe a également assemblé des batteries souples tout-aqueuses à ions magnésium et des micro-batteries intégrées à ions magnésium, validant le potentiel de ce matériau pour des applications pratiques.
Cette recherche fournit un matériau de cathode à haute capacité avec une durée de vie ultra-longue, et élucide au niveau mécanistique une voie pour réaliser la délocalisation des contraintes d'insertion ionique en régulant l'environnement de coordination local, offrant un soutien théorique et pratique pour la conception de batteries aqueuses de nouvelle génération alliant haute densité d'énergie et longue durée de vie.
