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L'hydrogel qui murmure à l'oreille des batteries du futur

L’hydrogel qui murmure à l’oreille des batteries du futur

par La rédaction
26 janvier 2025
en Batterie, Technologie

Les batteries secondaires aqueuses attirent de plus en plus l’attention pour leurs avantages en matière de sécurité, de coût et de respect de l’environnement. Cependant, leur adoption à grande échelle rencontre des obstacles dus à une fenêtre de stabilité électrochimique étroite et une densité énergétique relativement faible. Comment surmonter ces limitations pour exploiter pleinement le potentiel des batteries aqueuses dans le domaine du stockage de l’énergie?

Les batteries aqueuses ont été reconnues pour leur sécurité inhérente, leur coût réduit et leur impact écologique moindre, les positionnant comme des candidates sérieuses pour les systèmes de stockage d’énergie de prochaine génération. Toutefois, leur utilisation pratique se voit limitée par une fenêtre de stabilité électrochimique étroite et une densité énergétique insuffisante, ce qui restreint leur performance et leur scalabilité dans des applications à grande échelle. Ces défis soulignent la nécessité de développer des électrolytes avancés capables de surmonter ces barrières.

Une innovation majeure en électrolyte hydrogel

En décembre 2024, des chercheurs de l’Université de Pétrole de Chine (Est de la Chine) ont révélé leurs découvertes dans le journal Energy Materials and Devices. Ils ont synthétisé un nouvel électrolyte hydrogel, baptisé Zn–SA–PSN, qui, lorsqu’il est associé à une cathode de bleu de Prusse, permet d’atteindre une densité énergétique et un taux de cycle élevé dans les batteries hybrides sodium-zinc.

Cet électrolyte hydrogel se base sur un réseau polymère unique caractérisé par des chaînes d’amides interconnectées et des groupes fonctionnels hydrophiles, éléments clés de sa haute performance. Il offre une conductivité ionique impressionnante de 43 mS·cm⁻¹, dépassant largement les électrolytes traditionnels, et une fenêtre de stabilité électrochimique élargie à 2,5 V. Cette extension permet des opérations à des voltages plus élevés, essentiels pour améliorer la densité énergétique des batteries.

Réseau structurel de l'électrolyte hydrogel Zn-SA-PSN présentant des liaisons covalentes, ioniques et hydrogène, permettant une conductivité ionique élevée et un dépôt homogène de zinc.
Réseau structurel de l’électrolyte hydrogel Zn-SA-PSN présentant des liaisons covalentes, ioniques et hydrogène, permettant une conductivité ionique élevée et un dépôt homogène de zinc. Crédit :Energy Materials and Devices, Tsinghua University Press

Performance et applications potentielles

En collaboration avec une cathode de bleu de Prusse, la batterie hybride sodium-zinc montre une performance remarquable, avec plus de 6000 cycles et une dégradation de capacité minimale de seulement 0,0096% par cycle à une densité de courant élevée de 25 C. Cette stabilité découle de la capacité de l’électrolyte hydrogel à supprimer les réactions secondaires et à inhiber la croissance des dendrites, un défi fréquent avec les anodes de zinc. De plus, la batterie atteint une densité énergétique d’environ 220 Wh·kg⁻¹ avec une performance de taux exceptionnelle, pouvant aller jusqu’à 5 C. La polyvalence de l’électrolyte Zn–SA–PSN permet son utilisation avec différents matériaux cathodiques, rendant compatible son application dans les batteries aqueuses sodium-zinc hybrides et les batteries à ions zinc.

Retrouvez facilement Enerzine dans les actualités Google. G Ajouter Enerzine

Cette innovation aborde des limitations critiques des technologies de batteries actuelles et ouvre de nouvelles voies pour le développement futur. En effet, le Dr. Linjie Zhi, chercheur principal, a précisé : «Notre électrolyte hydrogel représente une avancée significative dans le domaine des batteries aqueuses. Sa capacité à maintenir une haute performance sur des milliers de cycles et à des densités de courant élevées témoigne de son potentiel pour des applications pratiques dans le stockage de l’énergie.»

Le développement de l’électrolyte hydrogel Zn–SA–PSN a des implications profondes pour l’industrie du stockage de l’énergie. Sa capacité à fournir une densité énergétique élevée et une stabilité à long terme pourrait transformer les systèmes de batteries pour le stockage d’énergie à l’échelle du réseau, les véhicules électriques et d’autres applications nécessitant efficacité et sécurité. Ce progrès souligne également le potentiel des batteries à ions hybrides pour répondre à la demande croissante de solutions de stockage d’énergie durables et performantes.

Légende illustration : Gen AI

Article : ‘Advanced high-voltage and super-stable sodium–zinc hybrid ion batteries enabled by a hydrogel electrolyte’ – DOI : 10.26599/EMD.2024.9370050

Tsinghua University Press – Publication dans la revue Energy Materials and Devices

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Tags: batterieshydrogelstockage
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Aqueous secondary batteries have garnered significant attention for their inherent safety, low cost, and environmental friendliness, making them strong contenders for next-generation energy storage systems. However, their practical applications are hindered by a narrow electrochemical stability window and relatively low energy density, which limit their scalability and performance in large-scale settings. These challenges highlight the urgent need for advanced electrolytes that can overcome these limitations and unlock the full potential of aqueous batteries for energy storage applications.

On December 31, 2024, researchers from the China University of Petroleum (East China) unveiled their findings (DOI: 10.26599/EMD.2024.9370050) in the journal Energy Materials and Devices. The team successfully synthesized a novel hydrogel electrolyte that, when paired with a Prussian blue cathode, achieves outstanding energy density and cyclability in sodium-zinc hybrid ion batteries. This innovation represents a significant leap forward in the field of aqueous battery technologies.

The newly developed hydrogel electrolyte, named Zn–SA–PSN, is built on a unique polymer network featuring interconnected amide chains and hydrophilic functional groups, which are key to its high performance. This advanced design delivers an impressive ionic conductivity of 43 mS·cm⁻¹, significantly surpassing traditional electrolytes, and an expanded electrochemical stability window of 2.5 V. The broader stability window supports higher voltage operations, critical for enhancing the energy density of batteries.

When paired with a Prussian blue cathode, the sodium-zinc hybrid battery demonstrates remarkable performance, achieving over 6000 cycles with a minimal capacity decay of just 0.0096% per cycle at a high current density of 25 C. This stability is attributed to the hydrogel electrolyte’s ability to suppress side reactions and inhibit dendrite growth, which are common challenges in zinc anodes. Additionally, the battery achieves an impressive energy density of approximately 220 Wh·kg⁻¹ and outstanding rate performance, with capabilities of up to 5 C. The Zn–SA–PSN electrolyte’s versatility extends its applications to other cathode materials, making it compatible with both aqueous sodium-zinc hybrid batteries and zinc-ion batteries. These findings highlight the transformative potential of hydrogel electrolytes in advancing battery technologies.

"Our hydrogel electrolyte represents a significant advancement in the field of aqueous batteries," said Dr. Linjie Zhi, lead researcher on the project. "Its ability to maintain high performance over thousands of cycles and at high current densities is a testament to its potential for practical applications in energy storage. This innovation addresses critical limitations in current battery technologies and opens new avenues for further development."

The development of the Zn–SA–PSN hydrogel electrolyte carries profound implications for the energy storage industry. Its ability to deliver high energy density and long-term stability could transform battery systems for grid-scale energy storage, electric vehicles, and other applications demanding efficiency and safety. Moreover, this breakthrough underscores the promise of hybrid ion batteries in meeting the growing need for sustainable, high-performance energy storage solutions. As the demand for reliable and environmentally friendly energy systems continues to rise, innovations like this hydrogel electrolyte pave the way for a more sustainable energy future.

This work was financially supported by National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2022YFE0127400), Taishan Scholar Project of Shandong Province (Grant Nos. ts202208832 and tsqnz20221118), National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52473285), Shandong Provincial Natural Science Foundation (Grant No. 21CX06028A).

 

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Journal

Energy Materials and Devices

DOI

10.26599/EMD.2024.9370050

Article Title

Advanced high-voltage and super-stable sodium–zinc hybrid ion batteries enabled by a hydrogel electrolyte

Article Publication Date

31-Dec-2024

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