La première batterie zinc-air rechargeable est le fruit d’une nouvelle chimie

Le zinc est très bon marché et abondant ; la technologie des batteries pourrait être idéale pour les réseaux électriques, rapporte Arstechnica.

La plupart des piles jetables que vous rencontrerez sont techniquement appelées piles alcalines. Elles fonctionnent à un pH élevé et utilisent généralement le zinc comme support de charge. Le zinc est excellent car il est très bon marché, il peut être utilisé pour fabriquer l’une des deux électrodes et, dans le bon contexte, il permet d’utiliser de l’air à l’autre électrode. Ces deux derniers éléments simplifient la batterie, lui permettant d’être plus compacte et plus légère – jusqu’à présent, les tentatives de faire des choses similaires avec des batteries au lithium ont échoué.

Le problème de tout cela est que les piles sont jetables pour une bonne raison : la chimie de la décharge ne permet pas vraiment aux choses de fonctionner à l’envers. Le dioxyde de carbone de l’air réagit avec l’électrolyte, formant des carbonates qui bloquent une électrode. Et le zinc ne se redépose pas proprement sur l’électrode d’où il provient, créant au contraire des structures pointues appelées dendrites qui peuvent court-circuiter la pile.

Une équipe internationale a maintenant découvert comment rendre les piles au zinc rechargeables. La solution, semble-t-il, consiste à se débarrasser de l’électrolyte alcalin qui a donné leur nom aux piles.

Une voie chimique à sens unique

La chimie d’une pile alcaline au zinc est assez simple en apparence. Une feuille métallique de zinc sert d’électrode, chaque ion de zinc libérant deux électrons. À l’autre électrode, les molécules d’oxygène dans l’air captent quatre de ces électrons, ce qui brise la molécule et permet la formation d’oxyde de zinc. Mais le diable est dans les détails ou, plus précisément, dans les intermédiaires de la réaction. Dans ce cas, un intermédiaire clé est un ion hydroxyde, formé naturellement dans le pH alcalin de l’électrolyte à base d’eau (en fait, il définit à peu près cet environnement). Il est impliqué dans certaines des réactions avec le zinc, qui ne réagit pas directement avec l’oxygène de l’air.

Ces ions d’hydroxyde sont également la source d’un des problèmes des piles zinc-air, car ils sont aussi un intermédiaire dans les réactions qui transforment le dioxyde de carbone en carbonates. Ces carbonates recouvrent l’électrode où l’oxygène réagit et finit par la bloquer. On peut éviter cela dans une certaine mesure en remplaçant l’air par de l’oxygène pur, mais cela ne prolonge la durée de vie que d’une douzaine de cycles environ.

Le traitement des ions d’hydroxyde ne réglerait pas nécessairement le problème de la formation de dendrites sur la tôle de zinc, mais il pourrait régler les problèmes de l’électrode à air. Les chercheurs se sont donc concentrés sur ce point.

Il ne s’agissait pas simplement de modifier le pH de la solution d’électrolyte, car les ions hydroxyde se forment dans l’eau à des pH neutres et même acides. Et, dans des conditions normales, la dégradation de l’oxygène à l’électrode à air se produit par l’intermédiaire des hydroxydes. Les chercheurs ont donc remplacé les conditions alcalines par un électrolyte quelque peu hydrophobe, c’est-à-dire qui repousse l’eau. Le produit chimique qu’ils ont utilisé, le trifluorométhanesulfonate, est essentiellement un ion sulfate lié à un carbone auquel sont attachés trois fluorures. La partie carbone-fluor de la molécule repousse l’eau, tandis que la partie sulfate est capable d’interagir avec les ions zinc.

Cela change tout

Le passage à ce nouvel électrolyte permet de protéger le zinc dans une certaine mesure. Mais il a un impact plus important sur la réaction de l’électrode à air. Ici, la réaction normale consiste à transférer quatre électrons pour décomposer une molécule d’O2 via des intermédiaires hydroxydes. Lorsque le nouvel électrolyte est remplacé, les intermédiaires hydroxydes cessent de se former. Par conséquent, seuls deux électrons sont transférés à la molécule d’oxygène, créant ainsi un peroxyde. Par conséquent, c’est du ZnO2 qui se forme lorsque la batterie se décharge, au lieu de l’oxyde de zinc (ZnO).

Les chercheurs ont détecté la formation de fibres de peroxyde de zinc lors de la décharge, et ont confirmé que celles-ci disparaissaient lors d’une recharge. Ils ont également pu détecter les changements de pression associés à l’oxygène incorporé dans la batterie pendant la décharge, et libéré lors de la recharge de la batterie. Lorsque la feuille de zinc était utilisée comme électrode, plus de 80 % du zinc finissait par être utilisé pour la décharge. Le remplacement de cette feuille par une poudre de zinc a permis d’augmenter l’utilisation du zinc à 94%.

Les résultats ont été radicalement différents. Plutôt que de mourir après quelques cycles, les chercheurs ont réussi à faire fonctionner une batterie pendant 1 600 heures. La formation de dendrite n’a pas été un problème la plupart du temps, et la capacité par poids était environ le double de celle de certaines batteries au lithium.

Alors, les problèmes de batterie sont résolus ? Pas vraiment. Comme la chimie des batteries repose sur l’air, l’eau de l’électrolyte aqueux s’est évaporée avec le temps. Des dendrites se sont formées, rendant finalement l’anode en zinc inutilisable. Mais le plus gros problème est probablement le taux de charge – notez qu’un cycle de charge/décharge prenait 20 heures

La densité de courant a été multipliée par 10 et la batterie n’a fonctionné que pendant 160 heures. Si vous augmentez encore la densité de charge, vous commencez à décomposer l’eau au lieu de faire fonctionner une batterie.

L’équipe de recherche suggère qu’un catalyseur qui favorise la formation de peroxyde pourrait potentiellement augmenter le taux de charge/décharge, mais il est clair que ce n’est pas nécessairement un concurrent pour de nombreux cas d’utilisation de batteries au lithium.

Mais ce n’est peut-être pas un problème. Le stockage pour le réseau électrique ne nécessite pas nécessairement un taux de décharge rapide des différentes batteries, tant qu’il y a suffisamment de batteries pour répondre aux besoins de capacité. Et ici, le zinc pourrait être un bonus – il coûte moins d’un quart de ce que le carbonate de lithium fait, et cela pour du zinc pur. De plus, la disponibilité du zinc pour couvrir d’autres besoins permettrait de libérer le lithium pour des utilisations où ses caractéristiques de performance sont vraiment importantes – ce dont nous pourrions avoir besoin si nous essayons de rendre le réseau renouvelable en même temps que nous électrifions les transports.

Enfin, les chercheurs notent que le même type de chimie pourrait fonctionner avec d’autres métaux, notamment le magnésium et l’aluminium, qui sont également relativement peu coûteux. Il se peut que ces alternatives présentent un équilibre différent entre les avantages et les inconvénients, et elles ne seraient certainement pas en concurrence pour l’approvisionnement en lithium non plus.

Science, 2020. DOI : 10.1126/science.abb9554 (À propos des DOI).

Laisser un commentaire

Ce site utilise Akismet pour réduire les indésirables. En savoir plus sur comment les données de vos commentaires sont utilisées.