Une nouvelle étude montre que les ions sulfate réduisent la quantité d’eau libre et augmentent ainsi la durée de vie et les performances des piles aqueuses.
Des scientifiques de l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah (KAUST, Arabie saoudite) ont découvert une cause moléculaire essentielle qui empêche les batteries rechargeables aqueuses de devenir une option plus sûre et plus économique pour le stockage durable de l’énergie. Leurs conclusions, publiées dans Science Advances, révèlent comment l’eau compromet la durée de vie et les performances des batteries et comment l’ajout de sels abordables, tels que le sulfate de zinc, atténue ce problème, voire multiplie par plus de dix la durée de vie des batteries.
L’un des facteurs déterminants de la durée de vie d’une batterie, qu’elle soit aqueuse ou non, est l’anode. Les réactions chimiques au niveau de l’anode génèrent et stockent l’énergie de la batterie. Cependant, des réactions chimiques parasites dégradent l’anode, compromettant ainsi la durée de vie de la batterie.
La nouvelle étude montre comment l’eau libre contribue à ces réactions parasites et comment le sulfate de zinc réduit la quantité d’eau libre dans la batterie.
« Nos résultats soulignent l’importance de la structure de l’eau dans la chimie des batteries, un paramètre clé qui a été négligé jusqu’à présent », a déclaré Husam Alshareef, professeur à la KAUST et président du Centre d’excellence pour les technologies renouvelables et de stockage (CREST) de la KAUST, chercheur principal à la tête de l’étude.
L’eau libre désigne les molécules d’eau qui ne sont pas fortement liées à d’autres molécules. Cet état permet à l’eau libre de s’engager avec plus de molécules qu’elle ne le ferait autrement, déclenchant des réactions indésirables qui consomment de l’énergie et compromettent l’anode.
Il a été découvert que le sulfate stabilise les liaisons de l’eau libre, agissant comme ce que l’équipe de KAUST décrit comme une « colle à eau », afin de modifier la dynamique des molécules d’eau et de réduire le nombre de réactions parasites.
Si la plupart des expériences menées par les chercheurs de KAUST ont été réalisées sur des batteries utilisant du sulfate de zinc, les premières recherches ont montré que le sulfate avait le même effet sur d’autres anodes métalliques, ce qui suggère que l’ajout de sels de sulfate dans la conception des batteries pourrait être une solution universelle pour prolonger la durée de vie de toutes les batteries aqueuses.
« Les sels de sulfate sont bon marché, largement disponibles et chimiquement stables, ce qui rend notre solution viable sur le plan scientifique et économique », a ajouté Yunpei Zhu, chercheur à KAUST, qui a mené la plupart des expériences.
Les batteries aqueuses suscitent un intérêt croissant à l’échelle mondiale en tant que solution durable pour le stockage d’énergie à grande échelle et devraient dépasser les 10 milliards de dollars de marché d’ici 2030. Contrairement aux batteries au lithium, souvent utilisées dans les véhicules électriques, les batteries aqueuses offrent une option plus sûre et plus durable pour intégrer des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie solaire dans les réseaux électriques.
Les professeurs KAUST Omar Mohammed, Omar Bakr, Xixiang Zhang, et Mani Sarathy ont également contribué à l’étude.
Article : « Correlation of Metal Anode Reversibility with SolvationChemistry and Interfacial Electron Transfer in Aqueous Batteries » – DOI : 10.1126/sciadv.adx8413
Fiche Synthèse
Batteries aqueuses rechargeables : une avancée clé pour le stockage d’énergie durable
À qui s’adresse cette découverte ?
- Ingénieurs en énergie, professionnels du stockage d’énergie, chercheurs en batteries, décideurs et investisseurs cherchant des solutions de stockage d’énergie sûres, économiques et durables.
- Questions courantes :
- Quels sont les obstacles à la commercialisation des batteries aqueuses ?
- Comment prolonger la durée de vie d’une batterie aqueuse ?
- Les batteries aqueuses sont-elles une alternative crédible aux batteries lithium-ion pour les énergies renouvelables ?
Résumé des faits marquants
Des chercheurs de la King Abdullah University of Science and Technology (KAUST, Arabie Saoudite) ont identifié une cause moléculaire majeure limitant la durée de vie des batteries aqueuses rechargeables, une technologie clé pour le stockage sûr et abordable de l’énergie renouvelable.
Problème principal :
- La présence d’eau libre dans les batteries aqueuses accélère les réactions secondaires (dites parasitaires) qui dégradent l’anode et réduisent significativement la durée de vie des batteries.
Innovation et résultats :
- L’ajout de sulfates abordables (ex : sulfate de zinc) dans l’électrolyte diminue la quantité d’eau libre.
- Cette solution simple prolonge la durée de vie des batteries aqueuses de plus de dix fois, tout en réduisant les réactions indésirables qui affectent la performance.
- Les sulfates agissent comme une « colle moléculaire », fixant l’eau libre et stabilisant l’environnement électrochimique de l’anode.
- Des tests initiaux montrent que ce mécanisme s’applique à d’autres anodes (plusieurs métaux), suggérant une solution universelle pour renforcer toutes les batteries aqueuses.
Avantages pour les utilisateurs :
- Sûreté accrue par rapport aux batteries lithium-ion (pas de risques d’incendie liés au solvant organique).
- Coût moindre grâce à l’utilisation de sels courants et économiques.
- Viabilité pour le stockage d’énergie solaire et réseaux intelligents, avec une estimation de marché dépassant les 10 milliards de dollars d’ici 2030.
Points clés à retenir
- Les batteries aqueuses sont des alternatives prometteuses pour le stockage massif de l’énergie renouvelable.
- La durée de vie et la stabilité sont améliorées par l’intégration de sels sulfate, en particulier le sulfate de zinc, dans la structure électrochimique.
- Innovation KAUST : les équipes du KAUST Center of Excellence for Renewable Energy and Storage Technologies (CREST), dirigées par le Pr. Husam Alshareef, proposent une solution applicable à bas coût à l’échelle industrielle.
- Citation experte : « Nos travaux montrent que la structure de l’eau dans l’électrolyte est un facteur fondamental pour la chimie des batteries – souvent négligé jusqu’ici », souligne le Pr. Alshareef.
Cas d’usage pratiques
- Stockage stationnaire d’électricité renouvelable : parcs solaires, éoliennes, micro-réseaux urbains ou ruraux.
- Industries et infrastructures nécessitant des solutions sûres, à faible maintenance, et facilement évolutives.
Pour aller plus loin
- Ressource de référence : Centre CREST à KAUST
- Contact scientifique : Husam Alshareef
- Expérimentation : Yunpei Zhu, chercheur principal sur les essais électrochimiques
En synthèse : L’ajout de sels sulfates dans les batteries aqueuses, tel que démontré par la KAUST, représente une avancée majeure pour un stockage de l’énergie plus sûr, durable et accessible. Cette innovation ouvre la voie à une adoption généralisée des batteries aqueuses sur le marché mondial.
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