Un groupe de chercheurs a développé un prototype de batterie rechargeable au calcium (Ca) capable de 500 cycles de charge-décharge répétés – la référence pour une utilisation pratique.
Avec l’utilisation croissante des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie à l’échelle du réseau, la nécessité d’explorer des alternatives aux batteries lithium-ion (LIBs) n’a jamais été aussi grande. Une telle alternative est la batterie au calcium métallique.
En tant que cinquième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, le calcium est largement disponible et peu coûteux, et a un potentiel de densité énergétique supérieur aux LIBs. Ses propriétés sont également supposées aider à accélérer le transport et la diffusion des ions dans les électrolytes et les matériaux cathodiques, lui conférant un avantage sur d’autres alternatives aux LIBs telles que le magnésium et le zinc.
Cependant, de nombreux obstacles subsistent pour la viabilité commerciale des batteries au calcium métallique. Le manque d’un électrolyte efficace et l’absence de matériaux cathodiques avec des capacités de stockage suffisantes de Ca2+ se sont avérés être les principaux problèmes.
En 2021, certains membres de l’actuel groupe de recherche ont apporté une solution au premier problème lorsqu’ils ont réalisé un nouvel électrolyte au calcium (Ca) sans fluor, basé sur un cluster d’hydrogène (monocarborane). L’électrolyte a démontré des performances électrochimiques nettement améliorées telles que une haute conductivité et de hautes stabilités électrochimiques.
Pour notre recherche actuelle, nous avons testé le fonctionnement à long terme d’une batterie au calcium métallique avec une cathode composite de nanoparticules de sulfure de cuivre (CuS)/carbone et un électrolyte à base d’hydrure, » déclare Kazuaki Kisu, professeur assistant à l’Institut de Recherche sur les Matériaux (IMR) de l’Université de Tohoku.
Schéma d’un prototype de batterie Ca métal. La batterie comprend une électrode positive stockant le Ca2+, contenant la cathode CuS et l’anode Ca métal avec un électrolyte à base d’hydrogène. Performance de cyclage de la batterie Ca-CuS. Crédit: Kazuaki Kisu
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Également un minéral naturel, le CuS a des propriétés électrochimiques favorables. Sa structure en couches lui permet de stocker une variété de cations, y compris le lithium, le sodium et le magnésium. Il a une grande capacité théorique de 560 mAh g-1 – deux à trois fois plus élevée que les matériaux cathodiques actuels pour les batteries lithium-ion.
Grâce à la nanoparticulation et à la composition avec des matériaux carbonés, Kisu et ses collègues ont pu créer une cathode capable de stocker de grandes quantités d’ions calcium. Lorsqu’ils sont utilisés avec l’électrolyte de type hydrure, ils produisent une batterie avec une performance de cyclage très stable. La batterie prototype a maintenu une rétention de capacité de 92% sur 500 cycles sur la base de la capacité du 10ème cycle.
Le groupe est confiant que leur percée aidera à faire avancer la recherche sur les matériaux cathodiques pour les batteries à base de Ca. « Notre étude confirme la faisabilité des anodes en métal de calcium pour des opérations à long terme, et nous sommes confiants que les résultats accéléreront le développement des batteries au calcium métallique, » déclare Kisu.
La percée a été rapportée dans le journal Advanced Science le 19 mai 2023.
Title: Calcium Metal Batteries with Long Cycle Life Using a Hydride-Based Electrolyte and Copper Sulfide Electrode
Authors: Kazuaki Kisu, Rana Mohtadi, and Shin-ichi Orimo / Journal: Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202301178
