aucune perte de capacité après 2 000 cycles de charge.
Une version haute performance de la batterie zinc-ion permettra un stockage d'énergie stationnaire qui promet d'être moins cher, plus sûr et plus écologique que les batteries lithium-ion.
Jusqu'à présent, les batteries zinc-ion ont été sérieusement entravées par leur dégradation rapide en cours d'utilisation. Une équipe de KAUST a mis au point une nouvelle combinaison d'électrolyte et d'électrode qui a permis d'améliorer plusieurs aspects des performances des batteries zinc-ion, notamment la stabilité sur de multiples cycles de charge et de décharge. Leurs travaux ont été publiés dans la revue Energy & Environmental Science "Concentrated dual-cation electrolyte strategy for aqueous zinc-ion batteries".
Les batteries stationnaires connectées à des sources d'énergie renouvelables, telles que les installations solaires ou les parcs éoliens, pourraient être essentielles à la transition du réseau électrique actuel, alimenté par des combustibles fossiles. Contrairement aux batteries destinées aux applications mobiles, comme les ordinateurs portables ou les voitures électriques, où la taille et le poids de la batterie sont essentiels, les batteries stationnaires peuvent être relativement grandes et lourdes, ce qui laisse entrevoir la possibilité de déployer des technologies de batteries rechargeables autres que le lithium-ion.
Les batteries centrées sur une solution aqueuse d'ions zinc ont montré un grand potentiel pour le stockage stationnaire en raison de leur capacité élevée, de leur faible coût et de leur absence de toxicité. "Mais des problèmes tels que la faible stabilité au cyclage et l'autodécharge rapide ont interdit les applications pratiques des batteries aqueuses à ions zinc", explique Yunpei Zhu, chercheur dans le groupe de Husam Alshareef, qui a dirigé les travaux. "Ces deux problèmes sont liés à la conception des électrolytes et des matériaux d'électrode", ajoute-t-il. L'électrolyte à base d'eau a posé des problèmes aux deux électrodes de la batterie, provoquant des réactions secondaires dommageables à l'anode et une dissolution rapide de la cathode.
Pour lutter contre ces problèmes, l'équipe a mis au point un électrolyte aqueux à très forte concentration en sel. Plus il y a d'ions de sel présents dans la solution pour lier les molécules d'eau environnantes, moins il y a de molécules d'eau libres susceptibles d'endommager les électrodes.
Comme les sels de zinc présentent généralement une solubilité limitée dans l'eau, l'équipe a ajouté du sodium pour produire un électrolyte très concentré de perchlorate de zinc et de perchlorate de sodium. "Nous avons constaté que cette combinaison offre une solubilité très élevée pour supprimer l'activité de l'eau, sans diminuer les attributs clés des batteries zinc-ion, notamment leur conductivité ionique élevée, leur sécurité ou leur respect de l'environnement", explique Zhu.
En plus du nouvel électrolyte, l'équipe a mis au point un nouveau matériau cathodique à base de nanofibres pour les batteries. "La morphologie des nanofibres améliore la diffusion des ions, ce qui assure des taux de charge et de décharge plus rapides des batteries aqueuses Zn-ion", explique Alshareef. Lors des tests, l'équipe n'a constaté pratiquement aucune baisse de capacité sur 2 000 cycles de charge. "Cette combinaison d'électrode et d'électrolyte résout potentiellement les lacunes des batteries aqueuses conventionnelles à ions Zn", ajoute M. Alshareef.
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