Les batteries lithium-ion traditionnelles non aqueuses offrent une densité énergétique élevée, mais leur sécurité est compromise en raison de l’utilisation d’électrolytes organiques inflammables. Les chercheurs explorent des alternatives plus sûres, telles que les batteries aqueuses, qui utilisent l’eau comme solvant pour les électrolytes.
Ces batteries présentent généralement une densité énergétique inférieure en raison de la solubilité limitée de l’électrolyte et de la faible tension de la batterie. Une équipe de recherche chinoise a développé une nouvelle approche prometteuse pour surmonter ces limitations et améliorer considérablement la densité énergétique des batteries aqueuses.
Une cathode à transfert multi-électrons basée sur le brome et l’iode
Dans une étude récemment publiée dans Nature Energy, un groupe de recherche dirigé par le professeur LI Xianfeng de l’Institut de chimie physique de Dalian (DICP) de l’Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec le groupe du professeur FU Qiang également du DICP, a développé une cathode à transfert multi-électrons basée sur le brome et l’iode. Cette innovation a permis d’atteindre une capacité spécifique de plus de 840 Ah/L et une densité énergétique allant jusqu’à 1200 Wh/L lors des tests de batterie complète basés sur le catholyte.
Pour améliorer la densité énergétique des batteries aqueuses, les chercheurs ont utilisé une solution d’halogène mixte d’ions iodure (I-) et d’ions bromure (Br-) comme électrolyte. Ils ont développé une réaction de transfert multi-électrons, transférant I- en élément iode (I2) puis en iodate (IO3-).
Pendant le processus de charge, les I- sont oxydés en IO3- du côté positif, et les H+ générés sont conduits du côté négatif sous forme d’électrolyte support. Pendant le processus de décharge, les H+ sont conduits du côté positif et les IO3- sont réduits en I-.
Optimisation de la réaction électrochimique grâce au brome
Les chercheurs ont confirmé que le Br- ajouté à l’électrolyte pouvait générer de l’iodure de brome polaire (IBr) pendant le processus de charge, ce qui facilitait la réaction avec H2O pour former IO3-. Pendant la décharge, IO3- pouvait oxyder Br- en Br2 et participer à la réaction électrochimique pour réaliser une décharge réversible et rapide de IO3-.
Par conséquent, l’intermédiaire bromure formé pendant le processus de charge et de décharge a optimisé le processus de réaction, améliorant efficacement la cinétique et la réversibilité de la réaction électrochimique.
Le groupe du professeur FU a prouvé le processus de transfert multi-électrons par microscopie optique in-situ, spectroscopie Raman et d’autres techniques.
Selon le professeur LI, «Cette étude fournit une nouvelle idée pour la conception de batteries aqueuses à haute densité énergétique et pourrait étendre l’application des batteries aqueuses dans le domaine des batteries de puissance.»
Article : « Reversible multielectron transfer I−/IO3− cathode enabled by a hetero-halogen electrolyte for high-energy-density aqueous batteries » – DOI: 10.1038/s41560-024-01515-9
