Les batteries à électrolyte aqueux présentent un risque d’incendie relativement faible et sont peu coûteuses, mais elles ont jusqu’ici été limitées dans leur capacité à stocker de grandes quantités d’énergie. Des chercheurs du KAIST sont parvenus à utiliser une réaction jusqu’alors considérée comme une « fauteuse de troubles » dégradant les performances des batteries pour stocker davantage d’énergie. Cette avancée ouvre la voie à des batteries aqueuses de nouvelle génération capables de stocker plus d’énergie tout en se chargeant et se déchargeant rapidement.
Le KAIST (président Choongsik Bae) a annoncé le 19 que l’équipe de recherche dirigée par Sarah S. Park, du département de chimie, a développé un nouveau matériau d’électrode qui stocke séquentiellement les ions zinc (Zn²⁺) et les protons. Ce matériau repose sur un réseau métal-organique (MOF) conducteur bidimensionnel, une structure dans laquelle des métaux et des molécules organiques sont reliés pour former des pores microscopiques.
Les batteries aqueuses à ions zinc utilisent des électrolytes à base d’eau. Un électrolyte est une substance qui permet aux ions de se déplacer à l’intérieur d’une batterie. Comme ces batteries présentent un risque d’incendie relativement faible, sont peu coûteuses et ont un faible impact environnemental, elles suscitent l’intérêt comme option de nouvelle génération pour les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle (ESS).
Parce que les ions zinc portent une charge électrique, sont divalents et se déplacent lentement à l’intérieur des électrodes, il est difficile d’obtenir simultanément une capacité élevée et une charge-décharge rapide. Les protons, en revanche, sont extrêmement petits et peuvent se déplacer très rapidement, ce qui en fait un support de charge idéal. Cependant, lorsque trop de protons pénètrent dans une électrode, des sous-produits se forment à sa surface, gênent le mouvement des ions zinc et réduisent les performances de la batterie. C’est pourquoi les protons ont longtemps été considérés comme des « fauteurs de troubles » dégradant les performances des batteries, et les recherches se sont concentrées sur la suppression de leurs réactions.
L’équipe de recherche a adopté une approche différente. Au lieu de supprimer les réactions des protons, elle a précisément contrôlé l’ordre dans lequel les ions zinc et les protons sont stockés, afin que les deux puissent être utilisés pour le stockage d’énergie.
Pour y parvenir, ils ont introduit des groupements fonctionnels amine dans les micropores d’un MOF conducteur bidimensionnel, en concevant le matériau de manière à ce qu’il réagisse avec les protons uniquement lorsqu’une certaine tension est atteinte. En concevant ces groupements amine pour ne stocker les protons qu’à une tension spécifique, les chercheurs ont permis le stockage des ions zinc d’abord, puis le stockage supplémentaire des protons.
Le principe est comparable au fait de placer d’abord de gros cailloux dans une bouteille vide, puis de combler les espaces avec du sable fin. L’électrode est utilisée plus efficacement en stockant d’abord les ions zinc, relativement gros, puis en ajoutant les protons, plus petits.
En pratique, les ions zinc sont d’abord stockés dans la plage de tension élevée, tandis que les protons sont stockés en supplément lorsque la tension diminue. Dans le matériau d’électrode Cu₃(HHTATP)₂ développé par l’équipe, les ions zinc et les protons participent séquentiellement au stockage d’énergie dans différentes plages de tension.
La séquence est particulièrement importante. Si les protons réagissent trop tôt, des sous-produits peuvent se former et entraver le mouvement des ions zinc. En permettant aux protons de réagir seulement après le stockage des ions zinc, les chercheurs ont réduit les interférences entre les deux processus de stockage.
Le nouveau matériau d’électrode a atteint une capacité de stockage élevée de 368,7 mAh g⁻¹ à 0,5 A g⁻¹. En termes simples, cela signifie qu’une petite quantité de matériau d’électrode peut stocker une grande quantité d’électricité.
Même lorsque la vitesse de charge et de décharge a été multipliée par seize, l’électrode a conservé 46,9 % de sa capacité de stockage initiale, soit près de la moitié. Les batteries stockent généralement moins d’énergie lorsque leur vitesse de charge et de décharge augmente, mais la nouvelle électrode a maintenu une capacité de stockage importante même dans des conditions de charge et de décharge rapides. Elle a également fait preuve d’une performance stable après plus de 500 cycles rapides de charge-décharge.
À l’aide de diverses techniques d’analyse par rayons X, l’équipe a confirmé que les ions zinc étaient d’abord stockés, puis que des protons étaient stockés en supplément. Les chercheurs ont également constaté que le processus de stockage puis de libération des protons pouvait être répété.
Cette étude est importante car elle surmonte la difficulté d’obtenir simultanément une capacité élevée et un transport rapide des ions dans les matériaux d’électrode poreux. Elle présente notamment une nouvelle direction pour le développement de batteries aqueuses à ions zinc de nouvelle génération en démontrant que la séquence de stockage de différents ions peut être contrôlée par une conception au niveau moléculaire.
Ces résultats présentent une nouvelle approche de conception qui pourrait permettre aux batteries aqueuses à ions zinc, sûres et économiques, de stocker plus d’énergie tout en se chargeant et se déchargeant rapidement. Cette approche devrait contribuer à améliorer les performances des batteries à base d’eau utilisées dans des applications telles que les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.
Sarah S. Park, professeure au KAIST, a déclaré : « Cette étude démontre que les protons, autrefois considérés comme des “fauteurs de troubles” susceptibles de dégrader les performances des batteries, peuvent au contraire être utilisés pour stocker plus d’énergie. Nous espérons que l’application de ce principe à divers matériaux d’électrode mènera au développement de batteries capables de stocker rapidement de plus grandes quantités d’énergie. »
Geunchan Park, doctorant à la POSTECH, et Gyuwon Lee, étudiant en master, ont participé en tant que co-premiers auteurs. L’étude a été publiée dans la revue internationale de chimie Chem le 7 juillet.
Article : Sequential Zn²⁺–H⁺ Storage in a 2D Conductive Metal–Organic Framework for Advanced Aqueous Zinc-Ion Battery – Journal : Chem – DOI : Lien vers l’étude
Source : KAIST
