Un nouveau catalyseur rapproche les piles zinc-air à haut rendement de la réalité commerciale
Pour passer efficacement des combustibles fossiles aux sources d'énergie renouvelables, il faut des batteries rechargeables rentables et de grande capacité. Les batteries zinc-air (ZAB) peuvent théoriquement stocker de grandes quantités d'énergie, mais les technologies actuelles nécessitent l'utilisation de catalyseurs à base de métaux nobles coûteux, ou d'agents qui accélèrent une réaction chimique, qui ne sont pas assez performants lors des réactions de charge et de décharge. Un nouveau catalyseur métal-azote-carbone a été mis au point pour être utilisé dans les ZAB. Il est plus performant que les catalyseurs à base de métaux nobles, ce qui améliore l'efficacité et la praticité de la technologie des ZAB.
Le schéma en haut à gauche illustre le flux d'une batterie zinc-air (ZAB). L'électrocatalyseur fer-cobalt-nickel (Fe-Co-Ni) (en haut à droite) accélère à la fois la charge et la décharge de la ZAB par rapport aux électrocatalyseurs métalliques binaires ou aux métaux nobles platine et ruthénium, ce qui se produit par la réaction de dégagement de l'oxygène et la réaction de réduction de l'oxygène, respectivement. Le diagramme en bas à gauche illustre l'assemblage du ZAB avec un électrolyte souple à base de points de carbone et d'alcool polyvinylique (CD/PVA), idéal pour les technologies portables. Le panneau en bas à droite montre le ZAB avec l'électrocatalyseur ternaire Fe-Co-Ni en train de charger un téléphone portable.
Nano Research Energy, Tsinghua University Press
Les ZAB fonctionnent en oxydant le zinc avec l'oxygène de l'air. Des recherches récentes ont démontré qu'un catalyseur incorporant une combinaison de différents atomes de métaux non nobles pouvait augmenter la vitesse des réactions de décharge et les performances de la batterie. Sur la base de ces données, un groupe de chercheurs de l'université de Hunan, de l'University College London et de l'université d'Oxford a créé un catalyseur à base de métaux non nobles, d'azote et de carbone à partir de fer, de cobalt et de nickel (Fe, Co et Ni, respectivement) afin d'améliorer la charge, la décharge et le rapport coût-efficacité des piles ZAB. L'équipe a également optimisé un film flexible de points de carbone/alcool polyvinylique (CD/PVA) en tant qu'électrolyte ZAB à l'état solide, ou composant de batterie qui transfère les atomes chargés, créant ainsi une batterie haute performance flexible et stable qui pourrait potentiellement être utilisée dans des dispositifs portables. L'équipe a publié son étude dans la revue Nano Research Energy le 17 mai 2024.
"Les batteries métal-air rechargeables sont des sources d'énergie prometteuses, en particulier les batteries zinc-air (ZAB) qui offrent des densités d'énergie théoriques élevées (1 084 Wh kg-1), un respect de l'environnement et un bon rapport coût-efficacité. En outre, les ZAB rechargeables sont non seulement sûres et stables, mais aussi portables et faciles à porter. Des recherches importantes sont actuellement menées sur les ZAB rechargeables et flexibles", a déclaré Huanxin Li, chercheur au département de chimie de l'Université d'Oxford, auteur principal de l'article et chef de ce projet.
Les ZAB se déchargent et se rechargent par le biais de deux réactions : la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et la réaction de transformation de l'oxygène (OER), respectivement. Ces réactions sont notoirement lentes et nécessitent des catalyseurs qui accélèrent la réaction électrochimique, ou électrocatalyseurs. Bien que les métaux nobles soient capables d'accélérer l'ORR et l'OER, les problèmes de coût, de performance sous-optimale et l'exigence de deux métaux nobles différents ont limité la praticabilité globale de la technologie ZAB.
"Le développement d'électrocatalyseurs non nobles bifonctionnels efficaces et peu coûteux est crucial pour la commercialisation des ZAB rechargeables. Parmi les différents catalyseurs non nobles, les nanomatériaux métal-azote-carbone (M-N-C) ont attiré une attention particulière en raison de leur faible prix, de leurs réserves abondantes, de leur excellente activité électrochimique et de leur grande stabilité", a déclaré le Dr Li.
La création d'un électrocatalyseur composé de trois atomes métalliques différents n'est toutefois pas une mince affaire, en raison des différentes forces d'interaction qui s'exercent sur chaque atome métallique. Pour résoudre ce problème, l'équipe a utilisé des cadres zéolitiques d'imidazolate (ZIF), des cadres carbone-azote qui entourent et arrangent chacun des trois atomes métalliques (Fe, Co et Ni), pour ancrer uniformément les atomes catalytiques sur le carbone poreux à haute température. L'équipe a confirmé la répartition des atomes de Fe, Co et Ni par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), par microscopie électronique à transmission à balayage en champ sombre annulaire à angle élevé avec correction de l'aberration sphérique (AC-HAADF-STEM) et par spectroscopie de perte d'énergie d'électrons (EELS).
Dans l'ensemble, l'électrocatalyseur ternaire Fe-Co-Ni est plus performant que les électrocatalyseurs bimétalliques (FeNi, FeCo et CoNi) et que le platine et le ruthénium, deux électrocatalyseurs à base de métaux nobles, dans les réactions de réduction et d'évolution de l'oxygène. L'équipe pense que les trois atomes métalliques de l'électrocatalyseur ternaire sont actifs et coopèrent pour augmenter l'activité catalytique, le Fe contribuant le plus à l'activité en tant qu'atome le plus abondant. La structure poreuse et la surface accrue de l'électrocatalyseur contribuent probablement aussi à l'amélioration de l'activité catalytique.
Dans l'ensemble, le ZAB rechargeable de l'équipe a atteint une capacité spécifique de 846,8 mAh-g Zn-1 et une densité de puissance impressionnante de 135 mW-cm-2 dans un électrolyte liquide. Le ZAB atteint également une densité de puissance de 60 mW-cm-2 en utilisant l'électrolyte solide CD/PVA optimisé par l'équipe, ce qui dépasse les résultats rapportés des ZAB solides avec d'autres catalyseurs.
Il est important de noter que le ZAB mis au point dans le cadre de l'étude est à la fois durable et stable et qu'il est capable d'alimenter un ventilateur et un écran LED et de recharger un téléphone portable. Les chercheurs espèrent que leur électrocatalyseur ternaire Fe-Co-Ni et leur électrolyte CD/PVA stimuleront la recherche de nouveaux catalyseurs et électrolytes pour des technologies ZAB pratiques et performantes.
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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