Les chercheurs progressent dans le développement de batteries rechargeables à base de potassium, une alternative potentielle au lithium, moins chère et bien plus abondante, et ont également montré comment extraire du carbone pour les électrodes de batterie de vieux pneus.

"Avec la croissance des batteries rechargeables pour les appareils électroniques, véhicules électriques et applications de réseau électrique, il y a eu une inquiétude croissante concernant la durabilité et le coût du lithium, " a déclaré Vilas G. Pol, professeur agrégé à la Davidson School of Chemical Engineering de l'Université Purdue. « Au cours de la dernière décennie, il y a eu des progrès rapides dans l'étude des batteries métal-ion au-delà du lithium, comme le sodium et le potassium."

En raison de sa plus grande abondance et de son moindre coût, le potassium est prometteur pour le stockage d'électricité à grande échelle sur le réseau électrique.

« L'énergie intermittente générée par le solaire et l'éolien nécessite de nouveaux systèmes de stockage d'énergie pour le réseau, " Pol dit. " Cependant, la disponibilité mondiale limitée des ressources en lithium et le coût élevé de l'extraction entravent l'application des batteries lithium-ion pour un stockage d'énergie à si grande échelle. Cela nécessite des dispositifs de stockage d'énergie alternatifs basés sur des éléments abondants sur terre. »

Le potassium est environ huit fois plus abondant que le lithium et un dixième du coût, il a dit.

Trois articles de recherche sur le travail des batteries potassium-ion ont été publiés ce mois-ci, en collaboration avec le Laboratoire national d'Oak Ridge du Département américain de l'énergie et l'Université nationale Cheng Kung de Taïwan.

« Nous avons initié ce programme il y a presque un an, et il n'y a pas beaucoup de groupes dans le monde qui travaillent sur les batteries potassium-ion, " dit Pol.

Les trois articles ont été publiés en Matériaux et interfaces appliqués ACS , Communications chimiques et le Journal de la société électrochimique .

Dans un papier, les chercheurs décrivent une nouvelle conception utilisant des nanofibres de carbone comme anode. Les batteries ont deux électrodes, appelé anode et cathode. Les anodes de la plupart des batteries lithium-ion actuelles sont en graphite. Les ions lithium sont contenus dans un liquide appelé électrolyte, et ces ions sont stockés dans l'anode lors de la recharge.

De nouvelles découvertes ont montré que les batteries avec des anodes en nanofibres de carbone sont prometteuses. Le document est disponible au DOI :10.1021/acsami.7b02476.

"Les nanofibres de carbone démontrent un grand potentiel en tant que matériau d'anode pour les batteries potassium-ion, " Pol a dit. "Nous avons étudié les batteries jusqu'à 1, 900 cycles de charge-décharge, ce qui est assez remarquable."

Les nanofibres de carbone ont été créées avec un processus appelé électrofilage, où la haute tension est utilisée pour tirer une solution polymère chargée entre deux électrodes, et les fibres polymères sont ensuite transformées en fibres de carbone.

Les batteries ont montré une "capacité raisonnable" après avoir été chargées pendant seulement six minutes, ayant une capacité de 110 milliampères-heures par gramme, un tiers de la capacité atteinte après 10 heures de charge de batterie lithium-ion conventionnelle, il a dit.

"D'habitude, vous obtiendriez une capacité très limitée après seulement six minutes car ce n'est pas assez de temps pour charger une batterie conventionnelle, " Pol dit. " Cependant, les nanofibres de carbone permettent de charger la batterie beaucoup plus rapidement car les ions n'ont qu'à parcourir une très courte distance. La batterie typique d'un téléphone portable contient des particules de 15 à 20 micromètres de diamètre, qui est une distance beaucoup plus grande que cette architecture de type fibre, et c'est pourquoi il faut deux à trois heures pour charger votre téléphone."

La conception élimine le besoin d'un « classeur, " ou un gel polymère pour maintenir la poudre de graphite en place. Un réseau de nanofibres retient à la place les particules de potassium, une approche qui pourrait diminuer le poids de la batterie.

Les nanofibres étaient « fonctionnalisées à l'oxygène, " ce qui signifie que les molécules d'oxygène sont attachées à leur surface, réduisant davantage la corrosion de l'électrolyte acide. Ils ont également été fonctionnalisés avec des molécules d'azote pour augmenter la conductivité électrique.

Dans un deuxième article, structures en forme de plaque en céramique, des matériaux électriquement conducteurs appelés MXenes ont été utilisés pour créer un nouveau type de batterie potassium-ion.

Pendant le processus de charge, on dit que les ions s'intercalent, ce qui signifie qu'ils sont forcés par le courant électrique de se déplacer entre les couches de l'anode de carbone, constitution d'une redevance. Parce que le potassium a un diamètre atomique plus grand que le lithium, il lui est plus difficile de s'intercaler.

Cependant, MXenes peut permettre aux chercheurs de contourner cet obstacle. Les chercheurs sont les premiers à rapporter des découvertes sur les performances des structures d'électrodes en forme de plaque constituées d'un MXène appelé carbonitrure de titane.

"Habituellement, les céramiques ne sont pas électrochimiquement actives, mais les MXenes le sont parce que vous avez une structure en forme de brique, et les ions peuvent être insérés entre ces briques pendant la charge, ", a déclaré Pol. "Nous avons montré que le potassium se charge et se décharge efficacement si vous réglez la morphologie et la structure du matériau."

L'utilisation du potassium pourrait également apporter des batteries moins chères en remplaçant le cuivre par de l'aluminium comme "collecteur de courant" pour les anodes. Les batteries lithium-ion nécessitent du cuivre à cet effet, tandis que l'aluminium peut être utilisé à la place dans les batteries potassium-ion.

Dans un troisième article, le carbone a été dérivé de pneus usés pour créer des anodes de carbone pour une batterie potassium-ion. Les pneus ont été réduits en une forme de carbone appelée carbone dur grâce à un processus de traitement chimique suivi d'une procédure appelée pyrolyse. Le document est disponible sur DOI :10.1149/2.1391706jes.

« Le recyclage du caoutchouc des pneus usagés est d'une importance cruciale, car les pneus mis au rebut présentent de graves risques environnementaux et sanitaires pour notre société, " dit Pol. " Tiens, nous rapportons une nouvelle application pour les matériaux à base de carbone dur dérivés de pneus usagés comme anodes dans les batteries potassium-ion."

En carbone dur, les couches de carbone sont disposées au hasard, et cet arrangement désordonné facilite l'intercalation des ions potassium.

"Cette étude démontre comment l'ingénierie des matériaux du carbone peut résoudre certains des problèmes résultant d'une intercalation plus volumineuse des ions potassium, et peut apporter des stratégies possibles pour améliorer les performances de ces batteries à l'avenir, " il a dit.

Ryan A. Adams, étudiant diplômé en génie chimique de Purdue, a dirigé une grande partie de la recherche. Ses recherches sont co-dirigées par Vilas Pol et Arvind Varma, R. Games Slayter Professeur émérite de génie chimique. Une liste complète des co-auteurs des articles est disponible dans les résumés.