Une nouvelle batterie à air entièrement solide et rechargeable


Les métaux sont généralement utilisés comme matériaux actifs pour les électrodes négatives dans les 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. Ici, les protons et les ions hydroxyde participent aux réactions redox. De telles batteries présentent des performances élevées, proches de la capacité maximale théoriquement possible. De plus, l’utilisation de molécules organiques redox-actives dans les batteries à air rechargeables surmonte les problèmes associés aux métaux, y compris la formation de structures appelées « dendrites », qui ont un impact sur les performances de la batterie et ont un impact environnemental négatif. Cependant, ces batteries utilisent des électrolytes liquides – tout comme les batteries à base de métal – qui posent des problèmes de sécurité majeurs tels qu’une résistance électrique élevée, des effets de lixiviation et une inflammabilité.

Maintenant, dans une nouvelle étude publiée dans Édition internationale de chimie appliquée le 2 mai 2023, un groupe de chercheurs japonais a développé une batterie à air rechargeable à semi-conducteurs (SSAB) et a étudié sa capacité et sa durabilité. L’étude a été dirigée par le professeur Kenji Miyatake de l’Université Waseda et de l’Université de Yamanashi, et co-écrite par le professeur Kenichi Oyaizu de l’Université Waseda.

Les chercheurs ont choisi un produit chimique appelé 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ) et son polymère poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-méthylène) (PDBM) comme matières actives pour l’électrode négative en raison de leurs réactions redox stables et réversibles dans des conditions acides. De plus, ils ont utilisé un polymère conducteur de protons appelé Nafion comme électrolyte solide, remplaçant ainsi les électrolytes liquides conventionnels. « A ma connaissance, aucune batterie à air à base d’électrodes organiques et d’électrolyte polymère solide n’a encore été développée« , dit Miyatake.

Une fois le SSAB en place, les chercheurs ont évalué expérimentalement ses performances de charge-décharge, ses caractéristiques de débit et sa cyclabilité. Ils ont constaté que contrairement aux batteries à air typiques qui utilisent une électrode négative métallique et un électrolyte liquide organique, le SSAB ne se détériorait pas en présence d’eau et d’oxygène. De plus, le remplacement de la molécule redox-active DHBQ par son homologue polymère PDBM a formé une meilleure électrode négative. Alors que la capacité de décharge par gramme du SSAB-DHBQ était de 29,7 mAh, la valeur correspondante du SSAB-PDBM était de 176,1 mAh, à une densité de courant constante de 1 mAcm-2.

Les chercheurs ont également découvert que l’efficacité coulombique du SSAB-PDBM était de 84 % au taux de 4 C, qui diminuait progressivement jusqu’à 66 % au taux de 101 C. Alors que la capacité de décharge du SSAB-PDBM a été réduite à 44 % après 30 cycles, en augmentant la teneur en polymère conducteur de protons de l’électrode négative, les chercheurs ont pu l’améliorer considérablement à 78 %. Les images au microscope 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 fonctionnement réussi d’un SSAB comprenant des molécules organiques actives redox 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 cela ouvrira la voie à de nouvelles avancées. « Cette technologie peut prolonger la durée de vie de la batterie de petits gadgets électroniques tels que les smartphones et éventuellement contribuer à la réalisation d’une société sans carbone, » conclut Miyatake.

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