Des chercheurs de l'Université du Maryland (UMD) et du laboratoire de recherche de l'armée américaine (ARL) ont franchi une étape cruciale sur la voie des batteries à haute énergie en améliorant leur batterie eau-dans-sel avec un nouveau type de transformation chimique de la cathode qui crée une couche de sel solide réversible, un phénomène encore inconnu dans le domaine des batteries à base d'eau.

S'appuyant sur leurs précédentes découvertes des électrolytes eau-dans-sel rapportées dans Science en 2015, les chercheurs ont ajouté une nouvelle cathode. Ce nouveau matériau de cathode, manque de métal de transition, fonctionne à un potentiel moyen de 4,2 volts avec une excellente stabilité en cyclage, et délivre une densité d'énergie sans précédent comparable, ou peut-être plus élevé que, batteries Li-ion non aqueuses. Les auteurs rapportent leurs travaux le 9 mai dans la revue La nature .

"La recherche de l'Université du Maryland et de l'ARL a produit la nouvelle chimie de batterie la plus créative que j'aie vue depuis au moins 10 ans, " a déclaré le professeur Jeffrey Dahn de l'Université Dalhousie au Canada, un expert dans le domaine non affilié à la recherche. "Toutefois, il reste à voir si un appareil pratique avec une longue durée de vie peut être créé."

Tirer parti de l'intercalation réversible des halogènes dans les structures en graphite, activé par un électrolyte aqueux super concentré, l'équipe a généré une densité d'énergie que l'on croyait auparavant impossible. Les chercheurs ont découvert que la solution superconcentrée de la batterie eau-dans-sel, combiné avec la capacité de l'anode en graphite à construire et reformer automatiquement une couche protectrice à l'intérieur de la batterie, a donné une batterie stable et durable avec une énergie élevée.

"Cette nouvelle chimie cathodique fonctionne idéalement dans notre électrolyte aqueux "eau-dans-sel" précédemment développé, ce qui le rend encore plus unique - il combine une densité énergétique élevée des systèmes non aqueux avec une sécurité élevée des systèmes aqueux, " a déclaré un co-premier auteur de l'article, Chongyin Yang, chercheur adjoint au département de génie chimique et biomoléculaire de l'UMD.

"Cette nouvelle chimie 'Conversion-Intercalation' hérite de la haute énergie de conversion-réaction et de l'excellente réversibilité de l'intercalation du graphite, " dit Ji Chen, co-premier auteur de l'article et chercheur associé au département de génie chimique et biomoléculaire.

L'équipe de chercheurs, dirigée par Chunsheng Wang, Professeur ChBE avec une double nomination au Département de chimie et biochimie; Kang Xu, Boursier ARL ; et Oleg Borodine, Scientifique d'ARL - ont fait avancer la batterie à un stade testable :la taille d'un petit bouton, généralement utilisé comme véhicule d'essai dans les laboratoires de recherche. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour le transformer en une application pratique, batterie manufacturable.

La production d'énergie de la batterie à base d'eau rapportée dans cette étude affiche une densité énergétique accrue de 25 % par rapport à une batterie de téléphone portable ordinaire à base de liquides organiques inflammables, mais c'est beaucoup plus sûr. La nouvelle cathode est capable de contenir 240 milliampères par gramme pendant une heure de fonctionnement, environ deux fois celle d'une cathode typique actuellement trouvée dans les téléphones portables et les ordinateurs portables.

La batterie eau-dans-sel pourrait à terme être utilisée dans des applications impliquant de grandes énergies au niveau du kilowatt ou du mégawatt, ou lorsque la sécurité et la toxicité des batteries sont les principales préoccupations, y compris les batteries ininflammables pour avions, des navires de guerre, ou des vaisseaux spatiaux.