Les batteries zinc-air (ZAB) font partie des technologies de batterie de nouvelle génération les plus prometteuses en raison de leurs nombreuses caractéristiques avantageuses. Plus particulièrement, ces batteries ont des structures semi-ouvertes uniques, une densité d'énergie théorique significative (1,086 et 1,370 Wh kg-1 lorsqu'ils incluent et excluent l'oxygène, respectivement), des électrodes flexibles et un électrolyte intrinsèquement aqueux. De plus, contrairement aux autres matériaux utilisés dans les batteries, le zinc (Zn) est moins nocif pour l'environnement et plus abondant.
Des chercheurs de l'Université de Hanyang en Corée du Sud ont récemment conçu un nouveau type de cellule à poche zinc-air qui peut surpasser d'autres technologies de batterie disponibles dans le commerce. Ces cellules de poche, présentées dans un article publié dans Nature Energy, utilisez du phosphosulfate de cuivre (101) -facet [CPS (101)] comme cathode, des chitosanes-biocellulosiques antigel comme électrolytes conducteurs super-ioniques et du Zn à motifs comme anode.
«Les ZAB précédents utilisant des électrolytes liquides (6 M KOH) ont échoué en raison de la cinétique lente des réactions de réduction et d'évolution de l'oxygène (ORR / OER) et de l'irréversibilité du Zn accompagnant les réactions parasites à de larges températures», Jung-Ho Lee, l'un des chercheurs qui ont réalisé l’étude. «Cette caractéristique nous a incités à développer des électrolytes à l'état solide, comme la bio cellulose fonctionnalisée, capables de transférer l'OH- ions efficacement sans réactions parasites. »
L'électrolyte à base de FBN créé par Lee et ses collègues dans leurs travaux précédents présentait une conductivité ionique élevée de 64 mS cm-1 à température ambiante. Cependant, les chercheurs ont constaté qu'il ne fonctionnait pas à des températures inférieures à zéro et élevées, en raison de problèmes associés à la congélation de l'eau et à l'expansion du volume.
Dans leur nouvel article, les chercheurs ont donc suggéré d'utiliser le chitosane-bactérien-cellulosique (CBC) comme électrolytes à l'état solide d'échange d'anions. Ces matériaux sont essentiellement constitués de bio-cellulose et de chitosane, suivis d'une réticulation de liaisons quaternaires 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine-1-oxyl (TEMPO) et 1,4-diazabicyclo [2.2.2] octane (DBO).
«Les deux processus clés que nous avons utilisés (oxydation TEMPO et quaternisation DBO) ont considérablement amélioré les caractéristiques antigel des batteries, ainsi que leur résistance au gonflement, la compatibilité pour la réticulation et la propriété de discernement ionique», a déclaré Lee. «L'eau existe également et se transfère à l'intérieur des CBC, mais sa forme est de l'eau moléculaire et non de l'eau liquide. En conséquence, nous avons pu obtenir des performances de batterie supérieures et une bonne stabilité même à -20 ° C. »
Les électrolytes membranaires à base de CBC fabriqués par Lee et ses collègues ont subi un échange d'ions à l'aide d'un mélange de solutions d'hydroxyde. Ils affichent ainsi un pH plus bas que les électrolytes alcalins plus conventionnels. Le CPS nano-fibreux (101) préparé par les chercheurs a été spécifiquement synthétisé pour les applications de cellules en poche.
«Puisque le rapport stoechiométrique optimal de CPS (101) est C: P: S = 1: 0.5: 0.5, la variation du rapport stoechiométrique influence de manière critique les performances électrochimiques pendant les opérations de la cellule», a déclaré Lee. «Les anions phosphore et soufre conjugués spatialement avec une coordination égale (même quantité de liaisons Cu-S et Cu-P) aux cations de cuivre ont préservé des structures d'ordre à courte et longue portée relativement stables au cours des cycles suivants.»
Alors que la cellule de poche de Zn-air fabriquée par les chercheurs fonctionnait, si la membrane FBN était incapable de former l'interphase d'électrolyte solide (SEI), les CBC ont généré une couche SEI robuste, ce qui a conduit à une durée de vie supérieure. De plus, les CBC protégeaient la surface de l'anode de la corrosion et des réactions secondaires. Cela pourrait favoriser des cycles plus longs par rapport à ceux obtenus par des batteries avec des électrolytes aqueux ou d'autres électrolytes à l'état solide.
«La conductivité supérieure enregistrée à température ambiante (86.7 mS cm-1) est la valeur de champion rapportée à ce jour pour les conducteurs à superion d'hydroxyde, qui est deux fois plus élevée que celle du A201 commercial », a déclaré Lee. "Une épaisseur de 5 µm, 900 cm2- la membrane CBCs de taille peut être simplement coulée avec une robustesse mécanique exceptionnelle même à une température froide de -20 oC dans un environnement sec, tandis que le FBN, l'A201 ou la polysulfone se dégradent facilement en petits fragments. »
Les exigences générales pour les batteries de nouvelle génération sont une densité d'énergie au niveau du bloc de cellules> 300 Wh kg-1, 75 USD kWh-1, une capacité de charge rapide en 15 min (au moins 80% de charge), et la capacité de fonctionner à une large plage de températures. Pour répondre à ces exigences, les concepteurs de batteries doivent surmonter une série de limitations, tout en s'assurant que les batteries sont sûres, stables électrochimiquement / mécaniquement, construites avec des matériaux abondants sur Terre et faciles à recycler, et fonctionnent bien à une large plage de températures. .
Les ZAB développés dans le passé atteignaient de très faibles densités d'énergie au niveau de la cellule, généralement <40 Wh kg cellule-1 à une faible densité de courant <1 mA cm-2 et fonctionnant uniquement à température ambiante. Ces densités d'énergie sont nettement inférieures à celles jugées appropriées pour la commercialisation d'une batterie de nouvelle génération.
«La plupart des cellules Zn-air rapportées sont susceptibles de suivre des cycles peu profonds de 5 à 10% de profondeur de décharge (DOD), ce qui est incapable de fournir l'énergie de cellule compétitive aux batteries Li-ion», a déclaré Lee. «Même si peu de rapports précédents conservaient l'énergie surfacique requise de 35 mWh cmgeo-2, leur cycle de vie, et DOD ont été limités à moins de 100 cycles et DOD de 5 à 10%, respectivement. Il faut au moins 20% de DOD pour obtenir une énergie spécifique de 120 Wh kgcellule-1, cependant, aucun travail antérieur n'a suivi ces normes minimales requises pour les batteries commerciales. »
Dans leur article, Lee et ses collègues ont présenté des cellules à poche zinc-air flexibles d'un ampère-heure (Ah) qui pourraient être commercialement viables, car elles présentent des densités d'énergie ultra-élevées au niveau des cellules (460 Wh kgcellule-1 et 1389 Wh l-1) à une large gamme de températures (-20 à 80 oC), avec une capacité de débit élevée de 5-200 mA cm-2 plus de 6000 cycles pour 20% DOD et 1100 cycles pour 70% DOD. Ces cellules de poche surpassent de nombreuses batteries Li-ion disponibles dans le commerce et d'autres batteries couramment utilisées.
«Nos cellules de poche ont montré la densité d'énergie au niveau cellulaire la plus élevée de 523 ± 15 Wh kg.cellule-1 (densité d'énergie volumétrique de ~ 1609 ± 35 Wh l-1) pour 350 cycles avec 70% DOD à une densité de courant de 25 mA cm-2 en optimisant les paramètres de la cellule », a déclaré Lee. «Nous avons également montré que la densité d'énergie volumétrique pouvait encore être augmentée jusqu'à ~ 1800 Wh L-1 avec une capacité de cellule de poche d'environ 20 Ah en appliquant un empilement bipolaire sans souci (en augmentant le nombre de piles). Ces valeurs permettent une autonomie d’environ 800 à 900 miles par charge, une capacité de charge à 100 % en 15 minutes et une durabilité kilométrique d’environ 1 million de miles.
Après avoir été testés plus avant, les nouvelles cellules de poche zinc-air pourraient être produites à grande échelle. Selon Lee et ses collègues, ils pourraient également être utilisés pour propulser des drones, des véhicules électriques ou des avions électriques à courte distance.
«Nous simplifions maintenant les recettes de synthèse pour CPS (air cathode) et CBC (électrolyte solide) pour une mise à l'échelle digne de la production», a ajouté Lee. «Bien que nos ZAB fonctionnent normalement entre -20 et 80 oC, nous essayons également d'élargir la plage de températures de fonctionnement. De plus, nous envisagerons d'utiliser de l'aluminium au lieu du zinc, pour évaluer le potentiel d'un aluminium-air batterie. »