Les batteries sans métal font espérer des réseaux plus durables et plus économiques
"Il est désormais possible de développer des batteries à ions non métalliques à haute énergie qui peuvent concurrencer les batteries à ions métalliques".
Selon des chercheurs de KAUST, les batteries rechargeables qui utilisent des cations d'ammonium comme porteurs de charge pourraient constituer des substituts écologiques et durables aux batteries à ions métalliques.
Illustration de la batterie sans métal à haut rendement développée par les chercheurs de KAUST. Contrairement aux batteries classiques, cette batterie combine un électrolyte contenant des cations d'ammonium avec des électrodes à base de carbone.
© 2022 KAUST; Heno Hwang
Les batteries métal-ion, comme les batteries lithium-ion, sont la solution de stockage d'énergie par excellence. Elles dominent le marché de l'électronique grand public portable et des véhicules électriques en raison de leur haute densité énergétique et de leur polyvalence. Cependant, les ions métalliques utilisés dans les électrolytes proviennent de ressources limitées et en déclin, ce qui menace leur disponibilité à long terme. Leur toxicité et leur inflammabilité peuvent être dangereuses et nuisibles pour l'environnement.
Plusieurs tentatives ont été faites pour générer des batteries à base d'ions ammonium afin de résoudre les problèmes de durabilité et d'environnement, car ces cations sont légers et faciles à synthétiser et à recycler. Cependant, les cations ammonium ont tendance à se réduire en hydrogène et en ammoniac à faible potentiel de fonctionnement, ce qui empêche les batteries d'atteindre leur plein potentiel. Ils se dissolvent également facilement dans les électrolytes, ce qui les rend difficiles à incorporer dans les matériaux d'électrode.
Husam Alshareef, le post-doc Zhiming Zhao et leurs collègues ont développé une batterie sans métal à haut rendement en combinant un électrolyte contenant des cations d'ammonium avec des électrodes à base de carbone. La cathode en graphite et l'anode en semi-conducteur organique sont bon marché, écologiques et renouvelables, explique Zhao.
Pour les cations d'ammonium, les chercheurs ont choisi des ions hexafluorophosphate comme porteurs de charge négative et ont exploité la capacité du graphite à accueillir de manière réversible ces anions dans ses couches pour créer une batterie "à double ion". Dans la batterie, les cations et les anions s'insèrent simultanément dans leur électrode correspondante pendant les cycles de charge et sont libérés dans l'électrolyte pendant les cycles de décharge.
Cela différencie notre travail des autres études, explique Zhao.
"Nous avons conçu un électrolyte à la fois antioxydant et antiréducteur en passant au crible une série de solvants résistants à la haute tension et en tenant également compte de sa stabilité à la réduction", explique Zhao.
Le solvant antioxydant solvatait principalement les anions participant à la réaction cathodique, tandis que son homologue antiréductif formait une sphère de solvatation autour des cations impliqués dans la réaction anodique. "Cette configuration est cruciale pour la stabilité de la batterie", explique Zhao.
La batterie a surpassé les analogues existants à base d'ions ammonium avec une tension de fonctionnement record de 2,75 volts. "Il est maintenant possible de développer des batteries à ions non métalliques à haute énergie qui peuvent concurrencer les batteries à ions métalliques", déclare Zhao.
L'équipe travaille actuellement à améliorer les performances pour se rapprocher des applications à grande échelle. "Nous étudions des matériaux d'anode de plus grande capacité, ce qui est crucial pour améliorer la densité d'énergie", poursuit M. Zhao.
Le groupe d'Alshareef développe des alternatives bon marché aux batteries lithium-ion, notamment pour le stockage à l'échelle du réseau. "Pour décarboniser complètement le réseau à terme, le coût des batteries doit baisser de manière significative", explique M. Alshareef. Remplacer le lithium par des porteurs de charge non métalliques, tels que les ions ammonium, peut contribuer à réduire ces coûts.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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