Le stockage d’énergie avec des technologies de batteries rechargeables alimente nos modes de vie numériques et soutient l’intégration des énergies renouvelables dans le réseau électrique. Cependant, le fonctionnement des batteries dans des conditions froides est un défi permanent, motivant les chercheurs à améliorer les performances des batteries à basse température. Les batteries aqueuses (dans une solution liquide) font mieux que les batteries non aqueuses en termes de capacité de débit (une mesure de l’énergie déchargée par unité de temps) à basse température.
De nouvelles recherches d’ingénieurs de l’Université chinoise de Hong Kong publiées le 17 avril dans Énergie de recherche nanométrique propose des éléments de conception optimaux d’électrolytes aqueux pour une utilisation dans des batteries aqueuses à basse température. La recherche passe en revue les propriétés physico-chimiques des électrolytes aqueux sur la base de plusieurs métriques : diagrammes de phase, taux de diffusion des ions et cinétique des réactions redox.
Les principaux défis pour les batteries aqueuses à basse température sont que les électrolytes gèlent, les ions diffusent lentement et la cinétique redox (processus de transfert d’électrons) est par conséquent lente. Ces paramètres sont étroitement liés aux propriétés physico-chimiques des électrolytes aqueux à basse température utilisés dans les batteries.
Pour améliorer les performances de la batterie dans des conditions froides, il faut donc comprendre comment les électrolytes réagissent au froid (–50 oC à –95 oC). L’auteur de l’étude et professeur agrégé, Yi-Chun Lu, déclare que « pour obtenir des batteries aqueuses à basse température (LT-AB) hautes performances, il est important d’étudier les propriétés physicochimiques dépendant de la température des électrolytes aqueux pour guider la conception d’électrolytes aqueux à basse température (LT-AB). -AE). »
Évaluation des électrolytes aqueux
Les chercheurs ont comparé divers LT-AE utilisés dans les technologies de stockage d’énergie, notamment les batteries aqueuses Li+/Na+/K+/H+/Zn2+, les supercondensateurs et les batteries à flux. L’étude a rassemblé des informations provenant de nombreux autres rapports concernant les performances de divers LT-AE, par exemple un électrolyte hydrogel antigel pour une batterie aqueuse Zn/MnO2 ; et un électrolyte hybride à base d’éthylène glycol (EG)-H2O pour une batterie métallique Zn.
L’étude a examiné systématiquement les diagrammes de phase d’équilibre et de non-équilibre pour ces LT-AE signalés afin de comprendre leurs mécanismes antigel. Les diagrammes de phase ont montré comment la phase de l’électrolyte change en fonction des températures changeantes. L’étude a également examiné la conductivité des LT-AE en fonction de la température, des concentrations d’électrolytes et des porteurs de charge.
L’auteur de l’étude, Lu, a prédit que « les électrolytes aqueux antigel idéaux ne devraient pas seulement présenter une température de congélation basse Jm mais possèdent également une forte capacité de surfusion », c’est-à-dire que le milieu électrolytique liquide doit rester liquide même en dessous de la température de congélation, permettant ainsi le transport des ions à très basse température.
Les auteurs de l’étude ont constaté qu’en effet, les LT-AE qui permettent aux batteries de fonctionner à des températures ultra basses présentent principalement des points de congélation bas et de fortes capacités de surfusion. En outre, Lu propose que « la forte capacité de surfusion peut être réalisée en améliorant le temps de cristallisation minimum τ et en augmentant la valeur du rapport entre la température de transition vitreuse et la température de congélation (Jg/Jm) d’électrolytes. »
La conductivité de charge des LT-AE rapportés pour une utilisation dans les batteries pourrait être améliorée en réduisant la quantité d’énergie nécessaire au transfert d’ions, en ajustant la concentration d’électrolytes et en choisissant certains porteurs de charge qui favorisent des taux de réaction redox rapides. Lu dit que « baisser l’énergie d’activation de diffusion, optimiser la concentration d’électrolyte, choisir des porteurs de charge à faible rayon hydraté et concevoir un mécanisme de diffusion concerté[s] seraient des stratégies efficaces pour améliorer la conductivité ionique des LT-AE. »
À l’avenir, les auteurs espèrent étudier plus avant les propriétés physicochimiques des électrolytes qui contribuent à l’amélioration des performances des batteries aqueuses à basse température. « Nous aimerions développer des batteries aqueuses à basse température (LT-AB) hautes performances en concevant des électrolytes aqueux possédant une faible température de congélation, une forte capacité de surfusion, une conductivité ionique élevée et une cinétique redox interfaciale rapide », explique Lu.
Yi-Chun Lu et al, Stratégies de conception pour les électrolytes aqueux à basse température, Énergie de recherche nanométrique (2022). DOI : 10.26599/NRE.2022.9120003
Fourni par Tsinghua University Press