Alors que les scientifiques espéraient que les batteries rechargeables au zinc (+ dioxyde de manganèse) pourraient être développées pour devenir une alternative viable pour les applications de stockage sur le réseau, des ingénieurs de l’Université de l’Illinois Chicago et leurs collègues ont identifié les raisons pour lesquelles ces systèmes à base de zinc échouent.
Les scientifiques sont parvenus à cette conclusion après avoir utilisé la microscopie électronique avancée, des expériences électrochimiques et des calculs théoriques pour examiner de plus près la façon dont l’anode de zinc fonctionne avec la cathode de manganèse dans le système de batterie.
Leurs conclusions sont publiées dans la revue Nature Sustainability.
« Le zinc et le manganèse présentent séparément des propriétés très favorables pour les batteries durables de haute qualité ; cependant, lorsqu’ils sont associés dans un système complet, leur intercalation – leur rechargeabilité – est discutable, certaines études récentes suggérant que l’insertion et la désinsertion du zinc dans le dioxyde de manganèse sont responsables de la recharge des cellules« , a déclaré l’auteur principal de l’étude, Reza Shahbazian-Yassar, professeur d’ingénierie mécanique et industrielle à l’UIC (College of Engineering). « Avec cette étude, nous avons montré qu’il n’y a en fait aucune preuve microscopique de la réinsertion du zinc dans le dioxyde de manganèse, et ce que l’on pensait auparavant être des indicateurs de recharge provenait de l’insertion d’ions hydrogène chargés positivement dans le manganèse, et non du zinc. »
Dans leurs expériences, les chercheurs ont construit des cellules aqueuses zinc-dioxyde de manganèse et les ont testées sur 100 cycles. Ils ont déchargé et tenté de recharger les piles dans des expériences tout en utilisant la microscopie électronique pour capturer des images au niveau atomique des réactions.
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« Nous avons vu que l’hydrogène est responsable de l’endommagement des structures en tunnel du dioxyde de manganèse, ce qui réduit encore le potentiel de recharge de la batterie« , a déclaré Shahbazian-Yassar. « Les informations que nous avons obtenues grâce à ces expériences révèlent d’importantes connaissances atomiques sur les mécanismes de la batterie zinc-manganèse. Maintenant que nous savons ce qui se passe au niveau cellulaire, nous avons une boussole pour trouver de meilleures stratégies. »
Shahbazian-Yassar a déclaré que différentes structures cellulaires pourraient rendre le système plus favorable à l’insertion du zinc ou peut-être des stratégies pour exploiter les protons d’hydrogène.
L’article, intitulé « Understanding intercalation chemistry for sustainable aqueous zinc-manganese dioxide batteries », est coécrit par Yifei Yuan, Kun He, Mahmoud Tamadoni Saray, Wentao Yao et Meng Cheng de l’UIC, et Ryan Sharpe, Chenghang Li, Tongchao Liu, Hule Kin, Shun Wang, Khalil Amine, M. Saiful Islam et Jun Lu des institutions partenaires. Les institutions partenaires sont l’Université de Wenzhou, l’Université de Bath, l’Argonne National Laboratory et l’Université d’Oxford.
