Des chercheurs de l’université A&M du Texas ont découvert une différence de 1 000 % dans la capacité de stockage des électrodes de batteries sans métal et à base d’eau.
Ces batteries sont différentes des batteries lithium-ion qui contiennent du cobalt. L’objectif du groupe de recherche sur les batteries sans métal est de mieux contrôler la chaîne d’approvisionnement nationale, puisque le cobalt et le lithium sont externalisés. Cette chimie plus sûre permettrait également d’éviter les incendies de batteries.
Jodie Lutkenhaus, professeur de génie chimique, et Daniel Tabor, professeur adjoint de chimie, ont publié leurs conclusions sur les batteries sans lithium dans Nature Materials.
« Il n’y aurait plus d’incendies de piles parce qu’elles sont à base d’eau« , a déclaré Mme Lutkenhaus. À l’avenir, si l’on prévoit des pénuries de matériaux, le prix des batteries lithium-ion augmentera considérablement. Si nous disposons de cette batterie alternative, nous pouvons nous tourner vers cette chimie, dont l’approvisionnement est beaucoup plus stable parce que nous pouvons la fabriquer ici, aux États-Unis, et que les matériaux nécessaires à sa fabrication se trouvent ici. »
Selon M. Lutkenhaus, les batteries aqueuses se composent d’une cathode, d’un électrolyte et d’une anode. Les cathodes et les anodes sont des polymères qui peuvent stocker de l’énergie, et l’électrolyte est de l’eau mélangée à des sels organiques. L’électrolyte joue un rôle clé dans la conduction des ions et le stockage de l’énergie grâce à ses interactions avec l’électrode.
« Si une électrode gonfle trop pendant le cycle, elle ne peut plus très bien conduire les électrons, et vous perdez toute la performance« , a-t-elle déclaré. « Je pense qu’il existe une différence de 1 000 % dans la capacité de stockage de l’énergie, en fonction du choix de l’électrolyte, en raison des effets de gonflement.«
D’après leur article, les polymères radicaux non conjugués actifs sur le plan redox (électrodes) sont des candidats prometteurs pour les batteries aqueuses sans métal en raison de la tension de décharge élevée des polymères et de leur cinétique redox rapide. La réaction est complexe et difficile à résoudre en raison du transfert simultané d’électrons, d’ions et de molécules d’eau.
« Nous démontrons la nature de la réaction d’oxydoréduction en examinant des électrolytes aqueux de caractère chao-/kosmotrope variable à l’aide d’une microbalance électrochimique à cristal de quartz avec surveillance de la dissipation à différentes échelles de temps« , indiquent les chercheurs dans l’article.
Le groupe de recherche de M. Tabor a complété les efforts expérimentaux par des simulations et des analyses informatiques. Les simulations ont permis de mieux comprendre l’image microscopique de la structure et de la dynamique à l’échelle moléculaire.
« La théorie et l’expérience travaillent souvent en étroite collaboration pour comprendre ces matériaux. L’une des nouvelles choses que nous faisons sur le plan informatique dans cet article est de charger l’électrode à plusieurs états de charge et de voir comment l’environnement réagit à cette charge« , a déclaré M. Tabor.
Les chercheurs ont observé macroscopiquement si la cathode de la batterie fonctionnait mieux en présence de certains types de sels en mesurant exactement la quantité d’eau et de sel entrant dans la batterie lorsqu’elle fonctionne.
« Nous avons fait cela pour expliquer ce qui a été observé expérimentalement« , a-t-il déclaré. « Nous aimerions maintenant étendre nos simulations à d’autres systèmes. Nous avions besoin de confirmer notre théorie sur les forces qui entraînent ce type d’injection d’eau et de solvant.«
« Avec cette nouvelle technologie de stockage de l’énergie, nous faisons un pas en avant vers les batteries sans lithium. Nous avons une meilleure image au niveau moléculaire de ce qui fait que certaines électrodes de batterie fonctionnent mieux que d’autres, et cela nous donne des preuves solides de ce qu’il faut faire dans la conception des matériaux« , a déclaré M. Tabor.
Légende : Jodie Lutkenhaus, professeur de génie chimique, et Daniel Tabor, professeur adjoint de chimie, ont découvert une capacité de stockage importante dans les batteries à base d’eau.
CREDIT / Texas A&M Engineering
Le projet est financé par le ministère américain de l’énergie et la National Science Foundation par l’intermédiaire de la Texas A&M Engineering Experiment Station.
Auteur : Raven Wuebker, Texas A&M Engineering
