Un revêtement protecteur résout le problème des batteries zinc-ion à charge rapide

Les chercheurs cherchent depuis longtemps des moyens de prolonger la durée de vie des batteries à ions de zinc, souvent utilisées dans les appareils électroniques et les réseaux électriques, en raison de leurs performances lors de la recharge rapide. Une solution innovante pourrait bien résoudre ce problème, offrant ainsi de nouvelles possibilités pour l’énergie stockée.

Des chercheurs des universités Johns Hopkins et Cornell ont révélé que l’application d’un polymère spécial sur les électrodes des batteries à ions de zinc permet d’allonger leur durée de vie. Cette méthode empêche les dommages causés par la charge rapide. Les résultats de leur recherche ont été publiés dans la revue ACS Applied Materials and Interfaces.

Les problèmes de la charge rapide

Lorsque les batteries à ions de zinc subissent une charge rapide, les ions de zinc se déplacent entre l’anode et la cathode à une vitesse élevée, conduisant à la formation de filaments métalliques de zinc. Ces filaments peuvent traverser la séparation entre les électrodes, provoquant un court-circuit et rendant la batterie inutilisable.

Regina García-Méndez, assistante professeur en sciences des matériaux et génie à l’école d’ingénierie Whiting de Johns Hopkins et membre du Ralph O’Connor Sustainable Energy Institute (ROSEI), a expliqué : «Lorsque ces batteries se chargent trop rapidement, des filaments de zinc métallique croissent à l’intérieur, de l’anode vers la cathode. Dès que ces filaments atteignent l’autre électrode, ils court-circuitent la batterie, empêchant son chargement et la rendant inutilisable.»

Une solution avec le polyéthylène glycol

Pour contrer ce problème, les chercheurs ont testé l’efficacité du polyéthylène glycol (PEG) comme revêtement protecteur. En ajoutant une petite concentration de PEG dans l’électrolyte, ils ont créé une couche mince sur la surface des électrodes, qui a non seulement prolongé la vie de la batterie mais aussi permis des taux de charge rapide.

«Les brins métalliques détruisent l’intérieur de la batterie et perturbent sa capacité à maintenir l’électricité. Pour résoudre cela, nous avons découvert que l’ajout d’une petite concentration de polymère à la batterie forme une couche protectrice fine sur la surface de l’électrode, prolongeant la durée de vie de la batterie et permettant des taux de charge rapide.» a noté Regina García-Méndez.

Les expériences ont été réalisées sur des batteries de format pièce de monnaie et des batteries de type poche, toutes deux utilisant des électrolytes à base d’eau. L’électrolyte a été préparé en dissolvant du sel de zinc dans de l’eau purifiée, puis en y ajoutant le PEG. L’analyse par microscopie électronique à balayage (SEM) et la spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) ont montré que le PEG joue un double rôle : il protège l’électrode tout en empêchant la formation de filaments.

Et d’ajouter : «Le PEG a couvert les électrodes d’une couche fine qui nous a permis d’éviter une réaction dommageable du côté anode du séparateur, et les ions de zinc se sont réarrangés en une structure uniforme qui empêchait la formation de filaments. Le polymère protège la batterie tout en empêchant simultanément la formation des brins métalliques, permettant à ces batteries de se charger plus rapidement sans s’épuiser.»

Vers une application à grande échelle

Le groupe de recherche envisage maintenant d’appliquer cette méthode à des batteries de plus grande taille.

La chercheuse a de nouveau souligné : «Nous souhaitons appliquer le polymère à un format plus grand avec les mêmes conditions et voir si cela se traduit. Nous devons vérifier si cette méthode fonctionne lorsque nous augmentons l’échelle des matériaux afin de pouvoir utiliser le PEG dans les batteries à ions de zinc quotidiennes.»

Légende : Photo AI d’illustration

Cette recherche a été menée en collaboration avec des chercheurs de l’université Cornell, notamment Arpita Sharma, Shuo Jin, Donald L. Koch et Lynden A. Archer de l’école Robert Frederick Smith de génie chimique et biomoléculaire, Shifeng Hong et Yue Deng du département des sciences des matériaux et génie, et Ankush Mukherjee de l’école Sibley de génie mécanique et aérospatial. Le projet a bénéficié du soutien du programme de sciences fondamentales de l’énergie du Département de l’Énergie et de l’Agence pour les projets de recherche avancée en énergie (ARPA-E).

Article : « Mechanistic Understanding of Long Duration Fast Charge Aqueous Zinc Batteries Using Physically Adsorbed Oligomers as Interphases » – DOI: 10.1021/acsami.4c10969

Source : Johns Hopkins