Une nouvelle batterie à air rechargeable entièrement solide
"Cette technologie peut prolonger la durée de vie de la batterie des petits gadgets électroniques tels que les smartphones.
Les métaux sont généralement utilisés comme matériaux actifs pour les électrodes négatives des batteries. Récemment, des molécules organiques redox-actives, telles que des molécules à base de quinone et d'amine, ont été utilisées comme électrodes négatives dans des batteries métal-air rechargeables avec des électrodes positives réduisant l'oxygène. Dans ce cas, les protons et les ions hydroxyde participent aux réactions d'oxydoréduction. Ces batteries présentent des performances élevées, proches de la capacité maximale théoriquement possible. En outre, l'utilisation de molécules organiques redox dans les batteries rechargeables à air permet de surmonter les problèmes associés aux métaux, notamment la formation de structures appelées "dendrites", qui ont une incidence sur les performances de la batterie et un impact négatif sur l'environnement. Cependant, ces batteries utilisent des électrolytes liquides - tout comme les batteries à base de métaux - qui posent des problèmes de sécurité majeurs tels qu'une résistance électrique élevée, des effets de lixiviation et l'inflammabilité.
Aujourd'hui, dans une nouvelle étude publiée dans Angewandte Chemie International Edition le 2 mai 2023, un groupe de chercheurs japonais a mis au point une batterie à air rechargeable à l'état solide (SSAB) et a étudié sa capacité et sa durabilité. L'étude a été dirigée par le professeur Kenji Miyatake de l'université de Waseda et de l'université de Yamanashi, et cosignée par le professeur Kenichi Oyaizu de l'université de Waseda.
Les chercheurs ont choisi un produit chimique appelé 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ) et son polymère, le poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-méthylène) (PDBM), comme matériaux actifs pour l'électrode négative en raison de leurs réactions d'oxydoréduction stables et réversibles dans des conditions acides. En outre, ils ont utilisé un polymère conducteur de protons appelé Nafion comme électrolyte solide, remplaçant ainsi les électrolytes liquides conventionnels. "À ma connaissance, aucune batterie à air basée sur des électrodes organiques et un électrolyte polymère solide n'a encore été développée", déclare Miyatake.
Une fois le SSAB en place, les chercheurs ont évalué expérimentalement ses performances de charge-décharge, ses caractéristiques de vitesse et sa cyclabilité. Ils ont constaté que, contrairement aux batteries à air classiques qui utilisent une électrode négative métallique et un électrolyte liquide organique, la SSAB ne se détériorait pas en présence d'eau et d'oxygène. En outre, le remplacement de la molécule redox-active DHBQ par son homologue polymère PDBM a permis de créer une meilleure électrode négative. Alors que la capacité de décharge par gramme de l'électrode SSAB-DHBQ était de 29,7 mAh, la valeur correspondante de l'électrode SSAB-PDBM était de 176,1 mAh, à une densité de courant constante de 1 mAcm-2.
Les chercheurs ont également constaté que l'efficacité coulombienne du SSAB-PDBM était de 84 % à un taux de 4 C, et qu'elle diminuait progressivement pour atteindre 66 % à un taux de 101 C. La capacité de décharge du SSAB-PDBM est tombée à 44 % après 30 cycles, mais en augmentant la teneur en polymère conducteur de protons de l'électrode négative, les chercheurs ont pu l'améliorer de manière significative pour atteindre 78 %. Les images de microscopie électronique ont confirmé que l'ajout de Nafion améliorait les performances et la durabilité de l'électrode à base de PDBM.
Cette étude démontre le bon fonctionnement d'une SSAB comprenant des molécules organiques redox-actives comme électrode négative, un polymère conducteur de protons comme électrolyte solide et une électrode positive de type diffusion réduisant l'oxygène. Les chercheurs espèrent que cette technologie ouvrira la voie à d'autres avancées. "Cette technologie peut prolonger la durée de vie des batteries de petits gadgets électroniques tels que les smartphones et, à terme, contribuer à la réalisation d'une société sans carbone", conclut M. Miyatake.
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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