Avec leur densité potentielle élevée, leur faible coût et leur composition respectueuse de la nature, les batteries zinc-air sont considérées comme l’avenir de nombreux dispositifs énergétiques.
Cependant, leur faible tension de 1,4 V reste un obstacle à une utilisation plus répandue, d’autant plus que les batteries lithium-ion peuvent produire 3,7 V. En raison de cette limitation, les batteries zinc-air sont principalement utilisées dans les appareils électroniques qui nécessitent une faible puissance sur de longues périodes, tels que les appareils auditifs.
Il est essentiel d’améliorer la tension d’entraînement et la densité de puissance de sortie des batteries zinc-air si l’on veut qu’elles alimentent des appareils de pointe tels que les drones et les véhicules électriques. C’est ce qu’a réussi à faire un groupe de chercheurs en réalisant une batterie zinc-air dont la tension en circuit ouvert est supérieure à 2 V.
Nous avons exploité une cellule dotée d’une cathode exempte de métaux rares et d’électrolytes acides/alcalins disposés en tandem pour surmonter le principal goulot d’étranglement des batteries métal-air », explique le professeur Hiroshi Yabu, auteur correspondant de l’étude.
La tension d’une batterie est déterminée par la différence de potentiel entre la cathode et les anodes. Le potentiel de l’anode dans les batteries zinc-air implique la dissolution du zinc dans l’électrolyte, tandis que le potentiel de la cathode concerne la conversion de l’énergie chimique de l’oxygène en énergie électrique, c’est-à-dire la réaction de réduction de l’oxygène (ORR).
Les batteries zinc-air couramment utilisées dans les appareils auditifs ont théoriquement une tension de 1,9 V grâce à des électrolytes alcalins puissants. Cependant, la réaction de réduction de l’oxygène ne se produit pas facilement et les surtensions sont fréquentes. Ainsi, la tension de sortie est d’environ 1,4 V.
De nombreux scientifiques ont cherché à contourner ce problème en utilisant des catalyseurs à base de métaux précieux, tels que le platine et le carbone (Pt/C), en raison de leur forte activité de réaction ORR. Cependant, ces ressources sont à la fois limitées et coûteuses à utiliser. Par ailleurs, le potentiel de réaction à chaque électrode dépend fortement de la valeur du pH des électrolytes.
Selon le diagramme de Pourbaix, qui représente le pH sur l’axe horizontal et le potentiel de réaction sur l’axe vertical, le potentiel de dissolution du zinc est le plus faible dans des conditions alcalines, tandis que le potentiel d’oxydoréduction de l’oxygène est le plus élevé dans des conditions acides.
« Cela nous a permis de réaliser qu’en rendant l’électrolyte alcalin du côté de l’anode de zinc et en créant des conditions acides du côté de la cathode, nous pouvions générer une tension plus élevée« , a ajouté M. Yabu.
Les détails de la recherche ont été publiés dans la revue APL Energy le 24 avril 2023.
Titre : Batteries Zn-Air sans métaux rares avec tension ultra-élevée et haute densité de puissance obtenues par des électrocatalyseurs à couche unimoléculaire d’azaphtalocyanine de fer (AZUL) et des cellules à électrolyte aqueux tandem acide/alcalin
Auteurs : Kosuke Ishibashi, Koju Ito, Hiroshi Yabu
Journal : APL Energy
DOI : 10.1063/5.0131602
