Une nouvelle stratégie pour stabiliser les batteries zinc-ion

Les batteries à ions zinc aqueux (AZIBs) suscitent un intérêt croissant en raison de leur sécurité, fiabilité et coût abordable. La croissance des dendrites de zinc et les réactions secondaires sévères constituent des obstacles majeurs à leur commercialisation à grande échelle. Une étude récente menée par le Professeur HU Linhua de l’Institut de Physique de Hefei de l’Académie Chinoise des Sciences propose une solution innovante pour stabiliser les anodes de zinc.

Les chercheurs ont évalué le niveau d’énergie de l’orbitale moléculaire occupée la plus haute (HOMO) des molécules et l’ont utilisé comme descripteur critique pour choisir des additifs d’électrolyte anioniques non sacrificiels. Cette méthode permet de réguler durablement la croissance des dendrites de zinc et de limiter les réactions secondaires.

Le Dr LI ZHAO Qian, membre de l’équipe, explique : «Cela signifie que l’additif d’électrolyte anionique dodécylbenzène sulfonate de sodium (SDBS) avec un niveau d’énergie HOMO élevé peut empêcher la croissance des dendrites de zinc nuisibles et améliorer la recharge et la réutilisation des batteries.»

Applications des surfactants anioniques

Les surfactants anioniques, en tant qu’additifs non sacrificiels typiques, ont une longue histoire d’application en métallurgie comme agents inhibiteurs de corrosion et de désestérification pour le placage de zinc. Le choix d’un additif surfactant anionique approprié permet d’obtenir des anodes métalliques hautement stables et réversibles.

Dans cette étude, trois surfactants anioniques typiques, dont le SDBS, le dodécylsulfonate de sodium (SDS) et le p-éthylbenzène sulfonate de sodium (SEBS), ont été sélectionnés comme additifs. Les niveaux d’énergie HOMO de ces molécules ont été examinés pour la première fois afin d’évaluer leurs effets de coordination et d’adsorption.

Résultats expérimentaux et calculatoires

Les résultats expérimentaux et calculatoires montrent que le SDBS, avec le niveau d’énergie HOMO le plus élevé, présente les effets de coordination et d’adsorption les plus forts. Cela améliore considérablement la stabilité et la réversibilité de l’anode de zinc.

Dr. LI Zhaoqian précise : «La batterie a fonctionné pendant plus de 3200 heures lors des tests, même à des niveaux de puissance élevés, soit 30 fois plus longtemps qu’avec l’électrolyte d’origine.»

Les chercheurs ont également testé la batterie avec différents matériaux et ont constaté qu’elle fonctionnait bien, même après de nombreux cycles. Les batteries Zn//Cu assemblées ont montré une efficacité coulombique moyenne de 98,15 % après 800 cycles.

Par ailleurs, la batterie complète Zn//NH4V4O10 a démontré une stabilité à long terme avec une rétention de capacité de 93,5 % après 8000 cycles.

Cette recherche offre une stratégie prometteuse pour le criblage des additifs d’électrolyte optimaux pour des AZIBs haute performance. Selon l’équipe, cette approche pourrait également être appliquée à d’autres types de batteries métalliques.

Article : « Non-sacrificial anionic surfactant with high HOMO energy level as a general descriptor for zinc anode » – DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103525