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L'araignée d'eau et les écailles de poisson inspirent une électrode à air Janus pour des batteries zinc-air avancées

Une araignée d'eau.

L’araignée d’eau et les écailles de poisson inspirent une électrode à air Janus pour des batteries zinc-air avancées

par La rédaction
11 mars 2026
en Batterie, Technologie

Les batteries zinc-air (ZAB) sont reconnues comme une option prometteuse pour le stockage d’énergie durable de nouvelle génération, grâce à leur haute densité d’énergie théorique, leur respect de l’environnement et leur rentabilité. Cependant, leur déploiement pratique a été limité par les réactions lentes de réduction de l’oxygène (ORR) sur les électrodes à air et le transport de masse inefficace des réactifs et des produits – des problèmes étroitement liés aux contraintes structurelles des électrodes à air traditionnelles.

Pour relever ces défis, une équipe de recherche de l’Université des Sciences et Technologies du Jiangsu s’est tournée vers la nature pour s’inspirer, développant une électrode à air asymétrique innovante grâce à une simple stratégie d’assemblage carboné. Deux composants, à savoir des nanofeuillets de graphène fonctionnalisés (FGNS) et des nanotubes de carbone (FCNT) ancrant tous deux de la phtalocyanine de fer pour la catalyse de la réduction de l’oxygène, sont utilisés comme blocs de construction. Les premiers s’assemblent en une structure lamellaire hydrophile semblable à des écailles de poisson face à l’électrolyte, facilitant l’infiltration rapide des ions ; tandis que les seconds s’arrangent en une structure villositaire hydrophobe rappelant les pattes d’araignée d’eau exposée à l’air ambiant, favorisant une invasion rapide de l’oxygène.

L’architecture asymétrique délibérée (Asy-FCNTs-FGNSs) établit un gradient de mouillabilité continu, ce qui étend considérablement la zone de réaction triphasique (catalyseur solide/électrolyte liquide/oxygène gazeux) et permet un transport rapide des substances – l’oxygène de l’air vers le catalyseur, et les ions de l’électrolyte vers les sites actifs. Ces optimisations structurelles améliorent efficacement l’utilisation des sites catalytiques et la durabilité structurelle, ce qui se traduit directement par une amélioration des performances de la batterie.

(a) Mouillabilité électrolytique et mouillabilité sous-marine des gaz des Sy-FGNS, Sy-FCNT, Sy-FGNS/FCNT, Asy-FGNS-FCNT et Asy-FCNT-FGNS au fil du temps. (b) Simulation par éléments finis du transport de l'O 2 dans différentes électrodes à air. (Crédit : ©Science China Press)
(a) Mouillabilité électrolytique et mouillabilité sous-marine des gaz des Sy-FGNS, Sy-FCNT, Sy-FGNS/FCNT, Asy-FGNS-FCNT et Asy-FCNT-FGNS au fil du temps. (b) Simulation par éléments finis du transport de l’O 2 dans différentes électrodes à air. (Crédit : Science China Press)

La validation expérimentale confirme une performance nettement améliorée des batteries zinc-air équipées de cette électrode bio-inspirée, atteignant une densité de puissance de crête de 239,3 mW cm−2, une capacité spécifique de 814,3 mAh g−1 à 10 mA cm−2, et un cyclage stable de 3696 cycles à 10 mA cm−2. Cette performance surpasse celle des électrodes symétriques conventionnelles et des électrodes à air autoportantes de pointe rapportées dans des études précédentes.

Au-delà des gains de performance, la conception offre un procédé de fabrication évolutif et rentable. En exploitant directement les structures optimisées des pattes d’araignée d’eau et des écailles de poisson, combinées à une méthode d’assemblage carboné simple, la recherche fournit un paradigme innovant pour l’optimisation de l’architecture des électrodes – qui pourrait inspirer le développement de dispositifs de stockage d’énergie avancés au-delà des batteries zinc-air.

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Journal : Science Bulletin – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : SCP

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Tags: airbiomimetiqueelectrodezinc
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Zinc-air batteries (ZABs) are recognized as a promising option for next-generation sustainable energy storage, thanks to their high theoretical energy density, eco-friendliness, and cost-effectiveness. However, their practical deployment has been limited by slow oxygen reduction reactions (ORR) on air electrodes and inefficient mass transport of reactants and products—issues closely related to the structural constraints of traditional air electrodes.

To address these challenges, a research team from Jiangsu University of Science and Technology turned to nature for inspiration, developing an innovative asymmetric air electrode through a simple carbonaceous assembly strategy. Two components, which are functionalized graphene nanosheets (FGNSs) and carbon nanotubes (FCNTs) both anchoring iron phthalocyanine for oxygen reduction catalysis, are employed as building blocks. The former assemble into fish-scale-like hydrophilic lamellar structure facing the electrolyte, facilitating swift ion infiltration; while the latter arrange into waterspider-leg-like hydrophobic villus structure exposed to ambient air, enhancing rapid oxygen invasion.

The conscious asymmetric architecture (Asy-FCNTs-FGNSs) establishes a continuous wettability gradient, which dramatically extends the three-phase reaction zone (solid catalyst/liquid electrolyte/gaseous oxygen) and enables rapid substance transport—oxygen from air to catalyst, and ions from electrolyte to active sites. These structural optimizations effectively improve catalytic site utilization and structural durability, which directly translate to improved battery performance.

Experimental validation confirms significantly enhanced performance in zinc-air batteries equipped with this bioinspired electrode, achieving a peak power density of 239.3 mW cm−2, a specific capacity of 814.3 mAh g−1 at 10 mA cm−2, and stable cycling of 3696 cycles at 10 mA cm−2. This performance outperforms conventional symmetric electrodes and state-of-the-art self-supporting air electrodes reported in previous studies.

Beyond performance gains, the design offers a scalable and cost-effective fabrication process. By directly leveraging the optimized structures of waterspider legs and fish scales, combined with a straightforward carbonaceous assembly method, the research provides an innovative paradigm for electrode architecture optimization—one that could inform the development of advanced energy storage devices beyond zinc-air batteries.

Journal

Science Bulletin

DOI

10.1016/j.scib.2026.01.008

Method of Research

Experimental study

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