Une innovation coréenne prolonge la vie des batteries zinc-eau de dix fois

Les batteries zinc-eau émergent comme une alternative aux batteries lithium-ion traditionnelles. Une équipe de chercheurs coréens a réalisé une avancée significative dans la résolution d’un obstacle majeur à leur développement.

Le Dr Jung-Je Woo du Centre de recherche sur l’énergie propre de Gwangju à l’Institut coréen de recherche sur l’énergie (KIER), en collaboration avec l’équipe du professeur Jaephil Cho de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST), a mis au point une technologie clé de fabrication d’électrodes capable de contrôler la formation de dendrites dans les batteries zinc-eau.

Les batteries zinc-eau utilisent l’eau comme électrolyte, ce qui les rend exemptes de risques d’incendie et respectueuses de l’environnement par rapport aux batteries lithium-ion, qui emploient des électrolytes liquides volatils. De plus, les batteries zinc-eau utilisent deux électrons par ion, offrant théoriquement une capacité plus de deux fois supérieure à celle des batteries lithium-ion, qui n’utilisent qu’un seul électron par ion.

Le défi de la formation de dendrites

Un problème majeur des batteries zinc-eau réside dans le phénomène de dendrites, où le zinc se dépose sous forme allongée à la surface de l’anode pendant le processus de charge, réduisant ainsi la durée de vie de la batterie. Les dendrites formées peuvent percer le séparateur entre l’anode et la cathode, provoquant des courts-circuits électriques et affectant gravement les performances de la batterie.

La formation de dendrites s’avère plus active dans les batteries zinc-eau que dans les batteries lithium-ion, constituant un obstacle important à la commercialisation de cette technologie.

L’équipe de recherche a réussi à utiliser l’oxyde de cuivre pour favoriser un dépôt uniforme de zinc et contrôler la formation de dendrites. Lorsque des électrodes fabriquées selon cette méthode ont été appliquées aux batteries, elles ont démontré une durée de vie plus de dix fois supérieure à celle des batteries conventionnelles.

Dans le passé, la principale méthode utilisée pour supprimer la formation de dendrites consistait à ajouter des promoteurs comme le cuivre pour accélérer la croissance initiale du zinc et guider un dépôt uniforme. Cependant, cette approche présentait un inconvénient : la formation de dendrites réapparaissait avec les cycles répétés de charge et de décharge de la batterie.

Un processus de contrôle en deux étapes

En réponse à ce problème, l’équipe de recherche a conçu une méthode pour contrôler la formation de dendrites étape par étape en utilisant l’oxyde de cuivre. Comme le cuivre ordinaire, l’oxyde de cuivre favorise la croissance initiale du zinc et guide son dépôt. De plus, l’oxyde de cuivre possède une conductivité optimisée pour déposer le zinc de manière uniforme, permettant un dépôt plus efficace que le cuivre ordinaire.

Après avoir distribué uniformément le zinc, l’oxyde de cuivre se transforme en une structure d’échafaudage. Cette structure agit comme une barrière, supprimant le dépôt et la croissance désordonnés du zinc. Cela permet de prévenir continuellement la formation de dendrites, même avec des cycles répétés de charge et de décharge.

Des résultats encourageants pour l’avenir des batteries zinc-eau

Les batteries utilisant la technologie de l’équipe de recherche ont démontré une durée de vie plus de dix fois supérieure à celle des batteries zinc-eau conventionnelles, augmentant ainsi le potentiel de commercialisation.

L’équipe de recherche a réussi à contrôler le dépôt de zinc pour atteindre une capacité de 60 mAh/cm², leader mondial dans ce domaine. Ils ont également démontré la durabilité de leur technologie à travers plus de 3 000 tests de performance de batterie et ont confirmé que la technologie pouvait être appliquée à des électrodes de grande surface de 64 cm².

Le Dr Jung-Je Woo, chercheur principal, a déclaré : «L’importance de cette recherche réside dans le fait qu’elle apporte une solution au défi de la formation de dendrites dans les batteries métalliques telles que les batteries zinc-eau, en utilisant des processus et des matériaux à faible coût comme l’oxyde de cuivre.» Avant d’ajouter : «Nous visons à contribuer à la commercialisation des batteries aqueuses grâce à des recherches complémentaires qui normalisent et systématisent les électrodes développées.»

La technologie développée par l’équipe de recherche a été publiée en tant qu’article de couverture dans le numéro d’août de la revue Advanced Energy Materials (Facteur d’impact 24,4, top 2,9%) dans le domaine de l’énergie et des matériaux.

• Dendrite : Phénomène par lequel des ions métalliques se déposent de manière désordonnée sur l’anode pendant le processus de charge d’une batterie, formant des structures allongées en forme de branches. Si cette croissance irrégulière se poursuit, elle peut provoquer des courts-circuits, affectant gravement la stabilité de la batterie et réduisant sa durée de vie.
• Échafaudage : Une structure composée à l’échelle nano-micro conçue pour supprimer physiquement le dépôt désordonné de métaux comme le zinc.
• Batteries conventionnelles à base de zinc aqueux : Après 300 cycles de charge-décharge, la formation de dendrites entraîne une diminution de la capacité à moins de 80 %.
• Résultat de la recherche : En supprimant la formation de dendrites, la batterie conserve 80 % de sa capacité même après 3 000 cycles de charge-décharge.

Article : ‘Self-Converted Scaffold Enables Dendrite-Free and Long-LifeZn-Ion Batteries’ / ( 10.1002/aenm.202401820 ) -National Research Council of Science & Technology – Publication dans la revue Advanced Energy Materials / 23-Aug-2024