En raison de leur faible coût et de leur respect de l’environnement, les batteries au zinc aqueux ont le potentiel de jouer un rôle important dans les futurs systèmes de stockage d’énergie pour des applications telles que les réseaux électriques. Cependant, un problème de sécurité a ralenti les progrès de cette technologie émergente.
Dans une étude du 28 juillet publiée dans Nano-recherchedes chercheurs chinois ont présenté une solution qui consiste à modifier chimiquement le sucre de table commun pour stabiliser l’environnement des ions zinc et sécuriser les applications futures.
Des voitures électriques aux systèmes d’énergie éolienne et solaire, une gamme de plus en plus diversifiée d’applications gourmandes en énergie continue de stimuler la demande de stockage d’énergie à grande échelle et à faible coût. Selon l’étude, les batteries aqueuses de zinc (Zn) se sont rapidement imposées comme l’une des options les plus prometteuses pour répondre durablement à la demande.
« Ils sont très sûrs et rentables par rapport aux batteries lithium-ion actuelles avec des électrolytes organiques inflammables », a déclaré l’auteur de l’article Meinan Liu, professeur agrégé de nanotechnologie et de nanobionique à l’Université des sciences et technologies de Chine. « De plus, l’anode Zn présente une capacité théorique très élevée, ce qui rend ces batteries Zn encore plus prometteuses pour des applications telles que le stockage d’énergie du futur réseau. »
Cependant, lorsque la concentration en ions zinc (Zn2+) à la surface de l’anode tombe à zéro, les dendrites commencent à se développer. La croissance incontrôlée des dendrites de Zn détériore les performances électrochimiques et constitue une menace sérieuse pour un fonctionnement sûr.
« Ces dendrites peuvent pénétrer dans le séparateur et provoquer un court-circuit de la batterie », a déclaré Liu.
Des études antérieures ont montré que l’ajustement de l’environnement du solvant (appelé « structure de solvatation ») peut augmenter la mobilité du Zn2+ en réponse au champ électrique et supprime avec succès la croissance des dendrites. Le problème était que ces ajustements précédents, comme l’introduction d’autres sels ou l’inclusion de moins de molécules d’eau, finissaient également par diminuer la conductivité ionique du système.
Il y avait un écart de compréhension fondamental entre la structure de solvatation du Zn2+ et sa mobilité, a expliqué Liu. C’était un facteur clé affectant la croissance et la stabilité des dendrites de l’anode de Zn.
Pour tenter de combler cet écart, une équipe de recherche collaborative de plusieurs institutions chinoises a essayé une nouvelle approche : introduire du sucre de table commun avec plusieurs groupes hydroxyle (un hydrogène et un oxygène liés ensemble) dans l’électrolyte pour ajuster la structure de solvatation du Zn2+.
En menant des simulations et des expériences atomistiques, l’équipe de recherche a confirmé que les molécules de saccharose amélioraient la mobilité et arrêtaient la croissance des dendrites sans compromettre la stabilité. En fait, cette méthode offrait également des avantages insoupçonnés :
« Les résultats confirment que les molécules de saccharose dans la gaine de solvatation améliorent non seulement la mobilité, assurant une cinétique rapide du Zn2+, mais protègent également l’anode de Zn de la corrosion de l’eau et permettent d’obtenir avec succès un dépôt sans dendrite de Zn et une suppression des réactions secondaires », a déclaré Liu.
Cela démontre le grand potentiel de l’utilisation de cette simple modification du saccharose pour les futures batteries au zinc haute performance et rapproche le domaine de la recherche de l’objectif ultime d’obtenir une batterie Zn sûre, verte et haute performance.
« Espérons que cette batterie Zn sûre et à faible coût puisse être utilisée dans le stockage d’énergie du réseau », a déclaré Liu.
Cette technique se prête également à des variations et modifications supplémentaires : les cellules Zn-carbone offrent une densité d’énergie plus élevée et une stabilité améliorée, ce qui suggère une grande application potentielle des électrolytes modifiés au saccharose pour les futures batteries Zn.
Dans de futures études, les chercheurs examineront également les cas d’utilisation possibles et les obstacles pour les batteries au zinc aqueux, en particulier la façon dont elles pourraient supporter des températures extrêmes.
« L’électrolyte aqueux de la batterie Zn sera gelé à basse température, nous cherchons donc à gérer l’influence de la température sur les performances de la batterie », a déclaré Liu.
Yufang Cao et al, Mobilité rapide du Zn2+ activée par la structure de solvatation Zn2+ modifiée par le saccharose pour une batterie de zinc aqueuse sans dendrite, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4726-3
Fourni par Tsinghua University Press