Habituellement, les métaux sont utilisés comme matériaux actifs pour les électrodes négatives dans les batteries. Toutefois, des molécules organiques actives au redox, comme les molécules à base de quinone et d’amine, sont récemment devenues des alternatives pour les électrodes négatives dans les batteries rechargeables métal-air.
Dans ces batteries, les protons et les ions hydroxyde participent aux réactions redox. Ces batteries démontrent des performances exceptionnelles, se rapprochant de la capacité maximale théoriquement envisageable.
De plus, l’usage de ces molécules organiques permet de surmonter les problèmes associés aux métaux, comme la formation de structures nommées « dendrites« , nuisibles à la performance de la batterie et ayant un impact environnemental négatif. Toutefois, ces batteries utilisent encore des électrolytes liquides, comme leurs homologues à base de métal, suscitant des préoccupations majeures en termes de sécurité, telles que la résistance électrique élevée, les effets de lixiviation et l’inflammabilité.
Le 2 mai 2023, une nouvelle étude* publiée dans l’édition internationale d’Angewandte Chemie présente le travail d’une équipe de chercheurs japonais. Ces derniers ont mis au point une batterie rechargeable tout solide (SSAB) et ont analysé sa capacité et sa durabilité.
Ces chercheurs ont sélectionné un composé chimique et son polymère comme matériaux actifs pour l’électrode négative. Leur choix s’est porté sur ces éléments en raison de leurs réactions redox stables et réversibles dans des conditions acides. De plus, ils ont utilisé un polymère conducteur de protons appelé Nafion comme électrolyte solide, remplaçant ainsi les électrolytes liquides conventionnels.
« À ma connaissance, aucune batterie à air basée sur des électrodes organiques et un électrolyte polymère solide n’a encore été développée« , commente Miyatake.
Une fois la SSAB mise en place, les chercheurs ont évalué expérimentalement sa performance de charge-décharge, ses caractéristiques de taux et sa cyclabilité. Ils ont constaté que contrairement aux batteries à air typiques utilisant une électrode négative métallique et un électrolyte liquide organique, la SSAB ne se détériorait pas en présence d’eau et d’oxygène.
Alors que la capacité de décharge de la SSAB-PDBM est réduite à 44% après 30 cycles, en augmentant la teneur en polymère conducteur de protons de l’électrode négative, les chercheurs ont pu l’améliorer significativement à 78%. Des images de microscopie électronique ont confirmé que l’ajout de Nafion améliorait les performances et la durabilité de l’électrode basée sur PDBM.
Cette étude démontre le fonctionnement réussi d’une SSAB comprenant des molécules organiques actives au redox comme électrode négative, un polymère conducteur de protons comme électrolyte solide, et une électrode positive de type diffusion réduisant l’oxygène.
Les chercheurs espèrent que cela ouvrira la voie à de nouvelles avancées.
« Cette technologie peut prolonger la durée de vie des batteries de petits gadgets électroniques comme les smartphones et contribuer à terme à la réalisation d’une société sans carbone« , conclut Miyatake.
* Cette étude a été dirigée par le professeur Kenji Miyatake de l’Université Waseda et de l’Université de Yamanashi, et co-écrite par le professeur Kenichi Oyaizu, également de l’Université Waseda.
Référence / DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202304366
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