Les batteries de prochaine génération verront probablement le remplacement des ions lithium par des ions alcalins ou multivalents plus abondants et plus respectueux de l'environnement. Un défi majeur, cependant, est le développement d'électrodes stables qui combinent des densités d'énergie élevées avec des taux de charge et de décharge rapides. Dans la revue Angewandte Chemie , Des scientifiques américains et chinois signalent une cathode haute performance faite d'un polymère organique à utiliser à faible coût, sans danger pour l'environnement, et des batteries sodium-ion durables.

Les batteries lithium-ion sont la technologie de pointe pour les appareils portables, systèmes de stockage d'énergie, et véhicules électriques, dont le développement a été récompensé par le prix Nobel de cette année. Néanmoins, les batteries de nouvelle génération devraient fournir des densités d'énergie plus élevées, de meilleures capacités, et l'utilisation de moins cher, plus sûr, et des matériaux plus respectueux de l'environnement. Les nouveaux types de batteries les plus explorés utilisent essentiellement la même technologie de charge-décharge de fauteuil à bascule que la batterie au lithium, mais l'ion lithium est remplacé par des ions métalliques bon marché tels que le sodium, magnésium, et des ions aluminium. Malheureusement, cette substitution entraîne des ajustements importants des matériaux des électrodes.

Les composés organiques sont favorables comme matériaux d'électrode car, pour un, ils ne contiennent pas de métaux lourds nocifs et coûteux, et ils peuvent être adaptés à des fins différentes. Leur inconvénient est qu'ils se dissolvent dans les électrolytes liquides, ce qui rend les électrodes intrinsèquement instables.

Chunsheng Wang et son équipe de l'Université du Maryland, NOUS., et une équipe internationale de scientifiques ont introduit un polymère organique à haute capacité, charge rapide, et un matériau insoluble pour les cathodes de batterie. Pour l'ion sodium, le polymère a surpassé les cathodes polymères et inorganiques actuelles en termes de fourniture et de rétention de capacité, et pour les ions multivalents magnésium et aluminium, les données ne sont pas loin derrière, selon l'étude.

En tant que matériau cathodique approprié, les scientifiques ont identifié le composé organique hexaazatrinaphtalène (HATN), qui a déjà été testé dans des batteries au lithium et des supercondensateurs, où il fonctionne comme une cathode à haute densité énergétique qui intercale rapidement les ions lithium. Cependant, comme la plupart des matières organiques, Le HATN s'est dissous dans l'électrolyte et a rendu la cathode instable pendant le cyclage. L'astuce consistait maintenant à stabiliser la structure du matériau en introduisant des liaisons entre les molécules individuelles, ont expliqué les scientifiques. Ils ont obtenu un polymère organique appelé polymère HATN, ou PHATN, qui offrait une cinétique de réaction rapide et des capacités élevées pour le sodium, aluminium, et des ions magnésium.

Après avoir assemblé la batterie, les scientifiques ont testé la cathode PHATN à l'aide d'un électrolyte hautement concentré. Ils ont trouvé d'excellentes performances électrochimiques pour les ions non lithium. La batterie au sodium pouvait fonctionner à des tensions élevées jusqu'à 3,5 volts et maintenir une capacité de plus de 100 milliampères-heures par gramme même après 50, 000 cycles, et les batteries au magnésium et à l'aluminium correspondantes étaient juste derrière ces valeurs concurrentielles, ont rapporté les auteurs.

Les chercheurs envisagent ces cathodes polymères à base de pyrazine (la pyrazine est la substance organique sur laquelle HATN est basé; c'est un benzol aromatique, substance organique riche en azote avec une saveur fruitée) à utiliser dans des environnements sans danger pour l'environnement, haute densité énergétique, batteries rechargeables de nouvelle génération rapides et ultrastables.