Les batteries métal-air ont été recherchées pour succéder aux batteries lithium-ion en raison de leurs densités d'énergie gravimétriques exceptionnelles. Ils pourraient potentiellement permettre aux voitures électriques de parcourir des milliers de kilomètres ou plus avec une seule charge.

Un nouveau membre prometteur de la famille des batteries alcalines-métal-air est la batterie potassium-air, qui a plus de trois fois la densité d'énergie gravimétrique théorique des batteries lithium-ion. Un défi majeur dans la conception des batteries potassium-air est de choisir le bon électrolyte, le liquide qui facilite le transfert des ions entre la cathode et l'anode.

Typiquement, les électrolytes sont choisis en utilisant une approche d'essais et d'erreurs basée sur des règles empiriques corrélant plusieurs propriétés d'électrolyte, suivi d'essais exhaustifs (et longs) de plusieurs candidats électrolytes pour voir si les performances souhaitées sont atteintes.

Des chercheurs de l'Université de Washington à St. Louis, dirigé par Vijay Ramani, Roma B. et Raymond H. Wittcoff professeur émérite d'environnement et d'énergie à la McKelvey School of Engineering, ont maintenant montré comment les électrolytes pour les batteries alcalines-air peuvent être choisis en utilisant un seul, paramètre facile à mesurer.

Leurs travaux ont été publiés le 8 juillet dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

L'équipe de Ramani a étudié les interactions fondamentales entre le sel et le solvant dans l'électrolyte et a montré comment ces interactions peuvent influencer les performances globales de la batterie. Ils ont développé un nouveau paramètre, à savoir le module de Thiele "Electrochimique", une mesure de la facilité du transport des ions et de la réaction à une surface d'électrode.

Cette recherche documente la première fois que la théorie Marcus-Hush du transfert d'électrons, lauréate du prix Nobel, a été utilisée pour étudier l'impact de la composition de l'électrolyte sur le mouvement des ions à travers l'électrolyte, et leur réaction à la surface de l'électrode.

Il a été démontré que ce module de Thiele diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de l'énergie de réorganisation du solvant, une mesure de l'énergie nécessaire pour modifier la sphère de solvatation d'une espèce dissoute. Ainsi, l'énergie de réorganisation du solvant pourrait être utilisée pour sélectionner rationnellement les électrolytes pour les batteries métal-air haute performance. Plus d'essais et d'erreurs.

"Nous avons commencé par essayer de mieux comprendre l'influence de l'électrolyte sur la réaction de réduction de l'oxygène dans les systèmes de batteries métal-air, " dit Shrihari Sankarasubramanian, un chercheur scientifique de l'équipe de Ramani et auteur principal de l'étude.

"Nous avons fini par montrer comment la diffusion des ions dans l'électrolyte et la réaction de ces ions à la surface de l'électrode sont toutes deux corrélées à l'énergie nécessaire pour briser la couche de solvatation autour des ions dissous."

« Montrer comment un seul descripteur de l'énergie de solvatation est en corrélation à la fois avec le transport des ions et la cinétique de réaction de surface est une avancée décisive, " a déclaré Ramani. " Cela nous permettra de développer rationnellement de nouveaux électrolytes haute performance pour les batteries métal-air. "