Une batterie zinc-iodine tout-solide stable pendant 5000 heures

Les batteries rechargeables à base de zinc-iodine suscitent un intérêt croissant en raison de leur sécurité, de leur coût modéré et de leur capacité théorique élevée. Leur durée de vie limitée constitue toutefois un obstacle majeur à leur viabilité commerciale. Une nouvelle étude propose une solution innovante pour surmonter ces défis.

Le zinc, avec une capacité théorique élevée de 820 mAh g-1, et l’iode, abondant dans la croûte terrestre, sont des matériaux prometteurs pour les batteries. Cependant, la durée de vie limitée des batteries zinc-iodine reste un défi majeur. L’instabilité thermodynamique de l’électrode de zinc dans un électrolyte aqueux entraîne la libération d’hydrogène, provoquant le gonflement et l’échec de la batterie.

De plus, dans les électrolytes aqueux, des réactions redox réversibles se produisent souvent à la cathode d’iode, impliquant le triiodure, l’iodure et le polyiodure (I3-/I-/I5-). Les couches de passivation ZnO et Zn(OH)42- peuvent interagir avec le triiodure, aggravant les effets néfastes sur l’anode de zinc. Par conséquent, il est essentiel de réduire ces réactions parasitaires sur la surface du zinc pour obtenir une batterie ZnI2 rechargeable à longue durée de vie.

La solution innovante

Les chercheurs du Laboratoire des matériaux du lac Songshan ont rapporté une nouvelle classe de copolymères fluorés comme électrolytes solides pour le développement de batteries ZnI2 tout-solide avec une durée de vie prolongée. Les résultats de l’étude suggèrent que l’anode de zinc circulant dans cet électrolyte solide forme une couche SEI riche en fluor, favorisant la déposition de zinc dans la direction horizontale et empêchant la croissance de dendrites de zinc nuisibles.

En outre, cet électrolyte solide atténue efficacement le problème de la navette I3-, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie. Les cellules symétriques assemblées avec cet électrolyte solide sont stables pendant environ 5000 heures à 0,2 mA cm-2. La batterie ZnI2 complète présente une performance impressionnante avec un taux de 0,5 C et une efficacité coulombique de près de 100 % pendant plus de 7000 cycles (plus de 10000 heures).

Les perspectives d’avenir

Les recherches futures exploreront des scénarios d’application plus pratiques pour cette batterie tout en contrôlant les coûts. Cette batterie ZnI2 tout-solide, caractérisée par un électrolyte polymère à base de perfluoropolyéther (PFPE), démontre la formation d’une couche SEI sur le zinc, favorisant la croissance horizontale du zinc, atténuant la pénétration des dendrites et améliorant la durée de vie des cycles de la batterie.

De plus, l’électrolyte solide empêche l’effet de navette des ions iodure, réduisant la corrosion de la feuille de zinc. Les batteries symétriques utilisant cet électrolyte montrent une excellente performance de cycle, maintenant la stabilité pendant environ 5000 heures à température ambiante, tandis que les batteries ZnI2 tout-solide présentent plus de 7000 cycles avec une rétention de capacité dépassant 72,2 %.

Ce travail offre une voie prometteuse pour atteindre un stockage d’énergie fiable dans les batteries ZnI2 tout-solide et introduit des concepts innovants pour les batteries flexibles et portables à base de zinc. La recherche a été récemment publiée dans l’édition en ligne de Materials Futures, un journal international de premier plan dans le domaine de la recherche interdisciplinaire sur les matériaux.

Article : « Enhancing Performance and Longevity of Solid-State Zinc-Iodine Batteries with Fluorine-Rich Solid Electrolyte Interphase » – DOI: 10.1088/2752-5724/ad50f1