Batterie rechargeable au calcium avec une longue durée de vie


Un groupe de recherche a développé un prototype de batterie rechargeable au calcium (Ca) métallique capable de 500 cycles de charge-décharge répétées – la référence pour une utilisation pratique.

La percée a été rapportée dans la revue Sciences avancées le 19 mai 2023.

Avec l’utilisation croissante des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’énergie à l’échelle du réseau, la nécessité d’explorer des alternatives aux batteries lithium-ion (LIB) n’a jamais été aussi grande. Un tel remplacement est les batteries Ca métal. En tant que cinquième élément le plus abondant de la croûte terrestre, le calcium est largement disponible et peu coûteux, et a un potentiel de densité énergétique plus élevé que les LIB. On pense également que ses propriétés aident à accélérer le transport et la diffusion des ions dans les électrolytes et les matériaux cathodiques, ce qui lui donne un avantage sur les autres alternatives LIB telles que le magnésium et le zinc.

Mais de nombreux obstacles subsistent sur la voie de la viabilité commerciale des batteries Ca métal. L’absence d’un électrolyte efficace et l’absence de matériaux de cathode avec suffisamment de Ca2+ les capacités de stockage se sont révélées être les principales pierres d’achoppement.

En 2021, certains membres du groupe de recherche actuel ont apporté une solution au problème précédent en réalisant un nouvel électrolyte de calcium (Ca) sans fluor basé sur un cluster d’hydrogène (monocarborane). L’électrolyte a démontré des performances électrochimiques nettement améliorées telles qu’une conductivité élevée et des stabilités électrochimiques élevées.

« Pour nos recherches actuelles, nous avons testé le fonctionnement à long terme d’une batterie Ca-métal avec une cathode composée de nanoparticules/carbone de sulfure de cuivre (CuS) et un électrolyte à base d’hydrure », explique Kazuaki Kisu, professeur adjoint à l’Institut des matériaux de l’Université de Tohoku. Recherche (IMR).

Egalement un minéral naturel, le CuS possède des propriétés électrochimiques favorables. Sa structure en couches lui permet de stocker une Crumpa de cations, dont le lithium, le sodium et le magnésium. Il a une grande capacité théorique de 560 mAh g-1 – deux à trois fois plus élevée que les matériaux cathodiques actuels pour les batteries lithium-ion.

Grâce à la nanoparticulation et à la composition avec des matériaux carbonés, Kisu et ses collègues ont pu créer une cathode capable de stocker de grandes quantités d’ions calcium. Lorsqu’ils sont utilisés avec l’électrolyte de type hydrure, ils produisent une batterie avec des performances de cyclage très stables. La batterie prototype a maintenu une rétention de capacité de 92 % sur 500 cycles sur la base de la capacité du 10e cycle.

Le groupe est convaincu que sa percée contribuera à faire avancer la recherche sur les matériaux de cathode pour les batteries à base de Ca. « Notre étude confirme la faisabilité des anodes en métal Ca pour des opérations à long terme, et nous espérons que les résultats accéléreront le développement des batteries en métal Ca », déclare Kisu.

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