Des chercheurs australiens ont développé une nouvelle batterie au zinc plus durable et moins coûteuse que les batteries lithium-ion actuelles. Cette innovation pourrait répondre à la demande croissante en stockage d’énergie tout en réduisant l’impact environnemental. L’étude se concentre sur l’utilisation de cathodes en polymère pour améliorer les performances des batteries zinc-ion aqueuses.
La demande mondiale en batteries lithium-ion ne cesse d’augmenter, notamment pour alimenter véhicules électriques et appareils électroniques portables. Cependant, cette forte consommation entraîne une raréfaction des matières premières et des problèmes d’approvisionnement en métaux stratégiques comme le lithium et le cobalt.
Le recyclage insuffisant des batteries usagées génère des déchets considérables et des risques pour l’environnement. Face à ces défis, les scientifiques cherchent activement des alternatives plus durables et moins coûteuses.
Les batteries zinc-ion aqueuses
Les chercheurs de l’Université Flinders en Australie se sont penchés sur les batteries zinc-ion aqueuses (AZIBs). Le professeur associé Zhongfan Jia, chercheur en nanotechnologie à l’Université Flinders, explique l’intérêt de cette technologie : «Parmi les alternatives, les AZIBs se distinguent en raison de l’abondance beaucoup plus élevée du zinc dans la croûte terrestre (dix fois plus que le lithium), et de leur faible toxicité et haute sécurité.»
Les AZIBs présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles :
- Utilisation du zinc, un métal dix fois plus abondant que le lithium
- Faible toxicité et sécurité accrue
- Coût de production potentiellement réduit
- Impact environnemental moindre
Une innovation dans la conception des cathodes
L’équipe de recherche s’est concentrée sur l’amélioration des cathodes, un composant essentiel des batteries. Ils ont développé des cathodes en polymère à radicaux nitroxyde, fabriquées à partir de polymères commerciaux peu coûteux.
Le Dr Jia détaille l’approche adoptée par son équipe : «Notre recherche vise à améliorer la conductivité en utilisant des cathodes en polymère à radicaux nitroxyde fabriquées à partir de polymères commerciaux bon marché et à optimiser les performances de la batterie en utilisant des additifs peu coûteux.»
L’étude, menée par l’étudiante en master Nanduni Gamage et le chercheur postdoctoral Dr Yanlin Shi, a abouti à la création d’une batterie de laboratoire aux caractéristiques suivantes :
- Capacité de près de 70 mAh g-1
- Tension de décharge moyenne de 1,4 V
- Charge massique de 50 mg cm-2
- Capacité totale de 60 mAh
Ces performances permettent d’alimenter un petit ventilateur électrique ou une voiture miniature, démontrant ainsi le potentiel pratique de cette technologie pour des applications réelles.
Une approche économique et durable
Un des aspects les plus prometteurs de cette recherche réside dans l’utilisation de matériaux abordables. Le polymère utilisé coûte environ 20 dollars par kilogramme, tandis que le noir de carbone BP 2000 ne coûte qu’un dollar par kilogramme.
De plus, l’électrolyte employé ne contient pas de fluor, ce qui contribue à réduire l’impact environnemental de la batterie. Cette approche s’inscrit dans une démarche globale visant à développer des technologies de stockage d’énergie plus durables et accessibles.
Bien que les résultats obtenus soient encourageants, des recherches supplémentaires seront nécessaires pour optimiser les performances et la durabilité des batteries zinc-ion aqueuses. Les chercheurs devront notamment travailler sur l’amélioration de la stabilité des anodes en zinc, l’augmentation de la densité énergétique des batteries, ainsi que l’optimisation des processus de fabrication à grande échelle.
La collaboration internationale, impliquant notamment le Dr Jesús Santos-Peña de l’Université Paris Est Créteil CNRS, souligne l’importance de la coopération scientifique dans la recherche de solutions aux défis énergétiques mondiaux.
Impact potentiel sur l’industrie du stockage d’énergie
À mesure que la technologie des batteries zinc-ion aqueuses progresse, elle pourrait jouer un rôle croissant dans la transition vers des systèmes énergétiques plus propres et plus durables. Les applications potentielles sont nombreuses :
1. Stockage d’énergie pour les énergies renouvelables
2. Alimentation de véhicules électriques
3. Appareils électroniques portables
4. Systèmes de stockage d’énergie à grande échelle
En offrant une alternative viable aux batteries lithium-ion, les AZIBs pourraient contribuer à réduire la pression sur les ressources en lithium et en cobalt, tout en minimisant l’impact environnemental lié à la production et au recyclage des batteries.
En synthèse
Les travaux menés par l’équipe de l’Université Flinders représentent une avancée majeure dans le domaine des batteries zinc-ion aqueuses. En combinant des matériaux abordables, une approche durable et des performances prometteuses, cette recherche ouvre de nouvelles possibilités pour le développement de technologies de stockage d’énergie plus respectueuses de l’environnement.
Article : « Converting a low-cost industrial polymer into organic cathodes for high mass-loading aqueous zinc-ion batteries » (2024) par Nanduni SW Gamage, Yanlin Shi, Chanaka J Mudugamuwa, Jesús Santos-Peña, David A Lewis, Justin M Chalker and Zhongfan Jia has been published in Energy Storage Materials. DOI : 10.1016/j.ensm.2024.103731
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