Les batteries zinc-air : 4 fois plus performantes grâce aux fullerènes

Les batteries zinc-air sont une alternative abordable et performante aux batteries traditionnelles. Leur fonctionnement repose sur l’oxydation de l’oxygène présent dans l’air, ce qui permet de les utiliser à petite comme à grande échelle. Cependant, la difficulté d’activer l’oxygène, qui dégrade les performances de la batterie, a jusqu’à présent empêché leur adoption commerciale à grande échelle.

Des recherches présentées dans un article publié dans Carbon Future démontrent comment des matériaux catalytiques à base de carbone dérivés de fullerènes et de métalloporphyrines peuvent améliorer les performances et la stabilité des batteries zinc-air.

Selon Fang-Fang Li, professeure à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université des sciences et technologies de Huazhong à Wuhan, en Chine, « les caractéristiques cinétiques lentes dues à la difficulté d’activer l’oxygène, de rompre la liaison oxygène-oxygène et d’éliminer les oxydes dans les batteries zinc-air ont limité leur application dans le domaine commercial. Les catalyseurs à base de carbone à base de métaux non nobles ont été considérés comme des matériaux prometteurs pour la réaction d’oxyde d’oxygène en raison de leurs grandes surfaces, de leur conductivité électrique élevée, de leurs excellentes propriétés mécaniques et de leur excellente stabilité dans les environnements électrochimiques. »

Fullerènes et métalloporphyrines : la clé d’une efficacité accrue

Le fullerène est une allotrope du carbone présentant une structure fermée en forme de ballon de football. Les cristaux de fullerène sont créés par un processus appelé précipitation liquide-liquide. Pendant ce processus, le fullerène et le métalloporphyrine actif sont dissous dans un solvant bon et précipitent à partir de la solution mélangée lorsqu’un mauvais solvant est ajouté au bon solvant, aboutissant ainsi au cocristal fullerène-métalloporphyrine.

Les chercheurs ont créé quatre versions de carbones Co, N codopés en utilisant le cocristal comme précurseur, dans le but de déterminer les meilleures performances. Trois échantillons ont été chauffés à différentes températures (700°C, 800°C et 900°C), et le quatrième échantillon a également été chauffé à 800°C, mais mélangé différemment, sans utiliser la méthode de précipitation liquide-liquide.

Des résultats grâce à la méthode de précipitation liquide-liquide

Avant de tester les performances des échantillons de fullerène-métalloporphyrine et des carbones codopés Co, N dérivés, les chercheurs ont étudié les caractéristiques structurelles des échantillons à l’aide de la microscopie électronique à balayage et de la diffraction des rayons X, de la spectroscopie Raman et de mesures supplémentaires.

Ils ont découvert que la méthode de précipitation liquide-liquide augmentait les défauts, ce qui améliorait les performances de la réaction d’oxyde d’oxygène. Ils ont également constaté de manière cohérente que l’échantillon de co-cristal chauffé à 800°C présentait de meilleures performances que les autres échantillons testés tout au long de l’expérience.

Des batteries zinc-air performantes et stables

Pour tester les performances des carbones codopés Co, N dérivés du cocristal de fullerène-métalloporphyrine, les chercheurs ont assemblé une batterie zinc-air maison, utilisant les carbones codopés Co, N comme cathode.

« Les résultats mettent en évidence l’excellente stabilité à long terme des carbones codopés Co, N. Les performances optimisées de la batterie zinc-air des carbones codopés Co, N mettent en évidence la robustesse et la durabilité des performances électrocatalytiques. Cette combinaison de densité de puissance élevée et de stabilité étendue positionne les carbones codopés Co dérivés du cocristal de fullerène-métalloporphyrine comme un catalyseur très prometteur pour des applications pratiques de batteries zinc-air », a conclu Fang-Fang Li.

Légende illustration : Ce graphique montre qu’une batterie zinc-air peut utiliser un cocristal de fullerène-métalloporphyrine dérivé de carbones co-dopés Co, N comme catalyseur de la réaction de réduction de l’oxygène. Crédit : Carbon Future, Tsinghua University Press

Article : « Fullerene-metalloporphyrin co-crystal as efficient oxygen reduction reaction electrocatalyst precursor for Zn–air batteries » – DOI: 10.26599/CF.2024.9200009