Les batteries zinc-air (ZAB) sont reconnues comme une option prometteuse pour le stockage d’énergie durable de nouvelle génération, grâce à leur haute densité d’énergie théorique, leur respect de l’environnement et leur rentabilité. Cependant, leur déploiement pratique a été limité par les réactions lentes de réduction de l’oxygène (ORR) sur les électrodes à air et le transport de masse inefficace des réactifs et des produits – des problèmes étroitement liés aux contraintes structurelles des électrodes à air traditionnelles.
Pour relever ces défis, une équipe de recherche de l’Université des Sciences et Technologies du Jiangsu s’est tournée vers la nature pour s’inspirer, développant une électrode à air asymétrique innovante grâce à une simple stratégie d’assemblage carboné. Deux composants, à savoir des nanofeuillets de graphène fonctionnalisés (FGNS) et des nanotubes de carbone (FCNT) ancrant tous deux de la phtalocyanine de fer pour la catalyse de la réduction de l’oxygène, sont utilisés comme blocs de construction. Les premiers s’assemblent en une structure lamellaire hydrophile semblable à des écailles de poisson face à l’électrolyte, facilitant l’infiltration rapide des ions ; tandis que les seconds s’arrangent en une structure villositaire hydrophobe rappelant les pattes d’araignée d’eau exposée à l’air ambiant, favorisant une invasion rapide de l’oxygène.
L’architecture asymétrique délibérée (Asy-FCNTs-FGNSs) établit un gradient de mouillabilité continu, ce qui étend considérablement la zone de réaction triphasique (catalyseur solide/électrolyte liquide/oxygène gazeux) et permet un transport rapide des substances – l’oxygène de l’air vers le catalyseur, et les ions de l’électrolyte vers les sites actifs. Ces optimisations structurelles améliorent efficacement l’utilisation des sites catalytiques et la durabilité structurelle, ce qui se traduit directement par une amélioration des performances de la batterie.
La validation expérimentale confirme une performance nettement améliorée des batteries zinc-air équipées de cette électrode bio-inspirée, atteignant une densité de puissance de crête de 239,3 mW cm−2, une capacité spécifique de 814,3 mAh g−1 à 10 mA cm−2, et un cyclage stable de 3696 cycles à 10 mA cm−2. Cette performance surpasse celle des électrodes symétriques conventionnelles et des électrodes à air autoportantes de pointe rapportées dans des études précédentes.
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Au-delà des gains de performance, la conception offre un procédé de fabrication évolutif et rentable. En exploitant directement les structures optimisées des pattes d’araignée d’eau et des écailles de poisson, combinées à une méthode d’assemblage carboné simple, la recherche fournit un paradigme innovant pour l’optimisation de l’architecture des électrodes – qui pourrait inspirer le développement de dispositifs de stockage d’énergie avancés au-delà des batteries zinc-air.
Journal : Science Bulletin – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : SCP
