Le monde a besoin de batteries puissantes et bon marché, capables de stocker l’électricité produite de manière durable par le vent ou le soleil, afin que nous puissions l’utiliser chaque fois que nous en avons besoin, même lorsqu’il fait nuit dehors ou qu’il n’y a pas de vent. Les batteries les plus courantes qui alimentent nos smartphones et nos voitures électriques sont des batteries lithium-ion. Celles-ci sont assez chères, car la demande mondiale de lithium monte en flèche, et ces batteries sont également hautement inflammables.
Les batteries au zinc à base d’eau offrent une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’ETH Zurich vient de mettre au point une stratégie qui apporte des progrès décisifs dans le développement de ces batteries au zinc, les rendant plus puissantes, plus sûres et plus respectueuses de l’environnement.
La durabilité est un défi
Les piles au zinc présentent un certain nombre d’avantages : Le zinc est abondant, bon marché et dispose d’une infrastructure de recyclage mature. En outre, les piles au zinc peuvent stocker une grande quantité d’électricité. Plus important encore, les piles au zinc ne nécessitent pas nécessairement l’utilisation de solvants organiques hautement inflammables comme fluide électrolytique, car elles peuvent également être fabriquées à l’aide d’électrolytes à base d’eau.
Si seulement il n’y avait pas de problèmes auxquels les ingénieurs doivent faire face lorsqu’ils développent ces piles : lorsque les piles au zinc sont chargées à haute tension, l’eau contenue dans le liquide électrolytique réagit sur l’une des électrodes pour former de l’hydrogène. Dans ce cas, le liquide d’électrolyte s’épuise et les performances de la batterie diminuent. En outre, cette réaction provoque une surpression dans la batterie qui peut être dangereuse. Un autre problème est la formation de dépôts de zinc pendant la charge de la batterie, connus sous le nom de dendrites, qui peuvent percer la batterie et, dans le pire des cas, provoquer un court-circuit et rendre la batterie inutilisable.
Les sels rendent les piles toxiques
Ces dernières années, les ingénieurs ont poursuivi la stratégie consistant à enrichir l’électrolyte liquide aqueux avec des sels afin de maintenir la teneur en eau aussi faible que possible. Mais cette stratégie présente aussi des inconvénients : L’électrolyte devient visqueux, ce qui ralentit considérablement les processus de charge et de décharge. En outre, de nombreux sels utilisés contiennent du fluor, ce qui les rend toxiques et nocifs pour l’environnement.
Maria Lukatskaya, professeur de systèmes énergétiques électrochimiques à l’ETH Zurich, s’est associée à des collègues de plusieurs instituts de recherche aux États-Unis et en Suisse pour rechercher systématiquement la concentration idéale de sel pour les batteries zinc-ion à base d’eau. À l’aide d’expériences étayées par des simulations informatiques, les chercheurs ont pu révéler que la concentration idéale de sel n’est pas, comme on le supposait auparavant, la plus élevée possible, mais une concentration relativement faible : cinq à dix molécules d’eau par ion positif du sel.
Des performances durables et une charge rapide
De plus, les chercheurs n’ont pas utilisé de sels nocifs pour l’environnement pour leurs améliorations, mais plutôt des sels d’acide acétique respectueux de l’environnement, appelés acétates. « Avec une concentration idéale d’acétates, nous avons pu minimiser l’épuisement de l’électrolyte et prévenir les dendrites de zinc aussi bien que d’autres scientifiques l’avaient fait auparavant avec des concentrations élevées de sels toxiques« , explique Dario Gomez Vazquez, doctorant dans le groupe de Lukatskaya et auteur principal de l’étude. « En outre, notre approche permet de charger et de décharger les batteries beaucoup plus rapidement« .
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Jusqu’à présent, les chercheurs de l’ETH ont testé leur nouvelle stratégie de batterie à une échelle de laboratoire relativement petite. La prochaine étape consistera à développer l’approche et à voir si elle peut être appliquée à des batteries de grande taille. Idéalement, celles-ci pourraient un jour être utilisées comme unités de stockage dans le réseau électrique pour compenser les fluctuations, par exemple, ou dans les sous-sols des maisons individuelles pour permettre à l’énergie solaire produite pendant la journée d’être utilisée le soir.
Comme l’explique le professeur Lukatskaya de l’ETH, il reste encore quelques défis à relever avant que les piles au zinc ne soient prêtes pour le marché : les piles sont constituées de deux électrodes – l’anode et la cathode – et d’un liquide électrolytique entre les deux. « Nous avons montré qu’en ajustant la composition de l’électrolyte, il est possible de charger efficacement des anodes en zinc« , explique-t-elle. « Toutefois, à l’avenir, il faudra également optimiser les matériaux des cathodes pour obtenir des batteries au zinc durables et efficaces.«
Reference
Gomez Vazquez D, Pollard TP, Mars J, Yoo JM, Steinrück HG, Bone SE, Safonova OV, Toney MF, Borodin O, Lukatskaya MR: Creating water-in-salt-like environment using coordinating anions in non-concentrated aqueous electrolytes for efficient Zn batteries. Energy & Environmental Science, 13 March 2023, doi: external page10.1039/D3EE00205Ecall_made
Crédit image : ETH Zurich / Xin Zou
