Une version haute performance de la batterie zinc-ion permettra un stockage d’énergie stationnaire qui promet d’être moins cher, plus sûr et plus écologique que les batteries lithium-ion.
Jusqu’à présent, les batteries zinc-ion ont été gravement entravées par leur dégradation rapide en cours d’utilisation. Une équipe de KAUST a mis au point une nouvelle combinaison d’électrolyte et d’électrode qui a permis d’améliorer plusieurs aspects des performances des batteries zinc-ion, notamment la stabilité sur plusieurs cycles de charge et de décharge.
Pour lutter contre ces problèmes, l’équipe a mis au point un électrolyte aqueux à très forte concentration en sel. Plus il y a d’ions de sel présents dans la solution pour lier les molécules d’eau environnantes, moins il y a de molécules d’eau libres susceptibles d’endommager les électrodes.
Comme les sels de zinc présentent généralement une solubilité limitée dans l’eau, l’équipe a ajouté du sodium pour produire un électrolyte très concentré de perchlorate de zinc et de perchlorate de sodium. « Nous avons constaté que cette combinaison offre une solubilité très élevée pour supprimer l’activité de l’eau, sans diminuer les attributs clés des batteries zinc-ion, notamment leur conductivité ionique élevée, leur sécurité ou leur respect de l’environnement« , explique Zhu.
Outre le nouvel électrolyte, l’équipe a mis au point un nouveau matériau cathodique à base de nanofibres pour les batteries. « La morphologie des nanofibres améliore la diffusion des ions, ce qui garantit des taux de charge et de décharge plus rapides pour les batteries Zn-ion aqueuses« , explique M. Alshareef. Lors des tests, l’équipe n’a constaté pratiquement aucune baisse de capacité sur 2 000 cycles de charge. « Cette combinaison d’électrode et d’électrolyte résout potentiellement les défauts des batteries aqueuses conventionnelles à ions Zn« , ajoute M. Alshareef.
Les batteries stationnaires connectées à des sources d’énergie renouvelables, telles que les installations solaires ou les parcs éoliens, pourraient être la clé de la transition du réseau électrique actuel alimenté par des combustibles fossiles. Contrairement aux batteries destinées aux applications mobiles, comme les ordinateurs portables ou les voitures électriques, où la taille et le poids de la batterie sont essentiels, les batteries stationnaires peuvent être relativement grandes et lourdes, ce qui laisse entrevoir la possibilité de déployer des technologies de batteries rechargeables autres que le lithium-ion.
Les batteries centrées sur une solution aqueuse d’ions de zinc ont montré un grand potentiel pour le stockage stationnaire en termes de capacité élevée, de faible coût et d’absence de toxicité.
« Mais des problèmes tels que la faible stabilité au cyclage et l’autodécharge rapide ont interdit les applications pratiques des batteries zinc-ion aqueuses« , explique Yunpei Zhu, chercheur dans le groupe de Husam Alshareef, qui a dirigé les travaux. « Ces deux problèmes sont liés à la conception des électrolytes et des matériaux d’électrode« , ajoute-t-il.
L’électrolyte à base d’eau a posé des problèmes aux deux électrodes de la batterie, provoquant des réactions secondaires dommageables à l’anode et une dissolution rapide de la cathode.
Légende / Une nouvelle combinaison d’électrolyte et d’électrode peut améliorer les performances des batteries zinc-ion, ce qui pourrait rendre ces dernières plus attrayantes que leurs homologues au lithium-ion.
CREDIT / © 2021 KAUST; Veronica Moraru
