Les chercheurs de Skoltech, en collaboration avec des scientifiques de l'Institut pour les problèmes de physique chimique du RAS et de l'Université fédérale de l'Oural, ont montré qu'une capacité élevée, les batteries haute puissance peuvent être fabriquées à partir de matériaux organiques sans lithium ou autres éléments rares. En outre, ils ont démontré la stabilité impressionnante des matériaux cathodiques et enregistré une densité d'énergie élevée dans des batteries à base de potassium à charge/décharge rapide. Les résultats de leurs études ont été publiés dans le Journal de la chimie des matériaux A , les Journal des lettres de chimie physique et Communications chimiques .

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées pour le stockage d'énergie, en particulier dans l'électronique portable. La demande de batteries est en plein essor en raison de l'évolution rapide des véhicules électriques avec des exigences élevées en lithium. Par exemple, Volvo a l'intention de porter la part des véhicules électriques à 50 % de ses ventes globales d'ici 2025, et Daimler a annoncé son intention d'abandonner complètement les moteurs à combustion interne, mettre l'accent sur les véhicules électriques.

Cependant, l'utilisation massive de batteries lithium-ion aggrave la pénurie aiguë de ressources nécessaires à leur production. Métaux de transition couramment utilisés dans les cathodes, comme le cobalt, nickel et manganèse, sont assez rares, cher et toxique. Alors que la plupart du lithium moins courant est produit par une poignée de pays, l'offre mondiale de lithium est trop maigre pour remplacer toutes les automobiles conventionnelles par des véhicules électriques alimentés par des batteries au lithium. Selon les estimations du Centre de recherche allemand pour l'économie de l'énergie (FFE), la raréfaction des réserves de lithium pourrait devenir un enjeu majeur dans les prochaines décennies. Récemment, les scientifiques ont suggéré d'examiner des alternatives telles que le sodium et le potassium, qui sont similaires au lithium dans les propriétés chimiques.

Les chercheurs de Skoltech dirigés par le professeur Pavel Troshin ont réalisé des avancées significatives dans le développement de batteries au sodium et au potassium à base de matériaux cathodiques organiques. Les résultats de leurs recherches ont été rapportés dans trois publications dans les meilleures revues scientifiques internationales.

Leur premier article présente un polymère qui contient des fragments d'hexaazatriphénylène. Le nouveau matériau s'est avéré également approprié pour le lithium, des batteries au sodium et au potassium qui se chargent en 30 à 60 secondes tout en conservant leur capacité de stockage d'énergie après des milliers de cycles de charge-décharge. « La polyvalence est l'un des atouts majeurs des matières organiques, " explique le premier auteur de l'article et doctorant de Skoltech Roman Kapaev. " Leurs mécanismes redox sont beaucoup moins spécifiques à la nature du contre-ion, ce qui permet de trouver plus facilement une alternative aux batteries lithium-ion. Avec la hausse des prix du lithium, il est logique de le remplacer par du sodium ou du potassium moins cher qui ne s'épuisera jamais. Quant aux matériaux inorganiques, les choses sont beaucoup plus compliquées."

L'inconvénient est que les cathodes polymères à base d'hexaazatriphénylène ont un potentiel de fonctionnement faible (environ 1,6 V volts par rapport au potentiel K+/K), ce qui entraîne une diminution de la capacité de stockage d'énergie. Dans leur deuxième article, les scientifiques ont proposé un autre matériau, un polymère à base de dihydrophénazine qui ne présente pas cet inconvénient et assure une augmentation de la tension moyenne de fonctionnement de la batterie jusqu'à 3,6 volts.

"Les amines polymères aromatiques peuvent faire d'excellentes cathodes organiques haute tension pour les batteries métal-ion. Dans notre étude, nous avons utilisé du poly-N-phényl-5, 10-dihydrophénazine dans la cathode de la batterie au potassium pour la première fois. En optimisant en profondeur l'électrolyte, nous avons obtenu une énergie spécifique de 593 Wh/kg, une valeur record pour toutes les cathodes de batterie K-ion actuellement connues, " explique le premier auteur de l'étude et doctorant de Skoltech, Philipp Obrezkov.

Un enjeu majeur des batteries métal-ion, en particulier ceux avec une anode métallique, est la croissance des dendrites métalliques dans la cellule, qui provoquent des courts-circuits, souvent accompagné d'incendie et même d'explosion. Le remplacement des métaux alcalins purs par leurs alliages sous forme liquide à la température de fonctionnement de la batterie peut éviter de tels incidents. Cela a été récemment proposé par le professeur John B. Goodenough, lauréat du prix Nobel en 2019.

L'alliage de potassium et de sodium à bas point de fusion (NaK) est connu pour contenir environ 22 pour cent de sodium en poids et a un point de fusion de -12,7 degrés Celsius.

Dans leur troisième étude, les scientifiques ont utilisé un alliage potassium-sodium similaire appliqué sur du papier carbone comme anode et les polymères redox-actifs obtenus précédemment comme cathodes. De telles batteries peuvent être chargées-déchargées en moins de 10 secondes. De façon intéressante, l'une des cathodes polymères présentait la capacité énergétique la plus élevée pour les batteries au potassium, tandis que l'autre a montré une excellente stabilité, avec seulement 11% de capacité perdue après 10, 000 cycles de charge/décharge. Aussi, les batteries à base de ces deux matériaux présentent des caractéristiques de puissance inégalées de près de 100, 000 W/kg, un niveau typique pour les supercondensateurs.

"Actuellement, les batteries métal-ion et les supercondensateurs sont les solutions de stockage d'énergie les plus courantes, " explique le chef d'équipe Pavel Troshin. " Les premiers emmagasinent beaucoup d'énergie par unité de masse, mais se chargent lentement et perdent de la capacité assez rapidement après un certain nombre de cycles, alors que ces derniers se chargent rapidement et résistent à des dizaines de milliers de cycles, mais ont une faible capacité de stockage. Nous avons montré que les matériaux organiques électroactifs peuvent ouvrir la voie à une nouvelle génération de dispositifs de stockage d'énergie électrochimique combinant les avantages des batteries métal-ion et des supercondensateurs, éliminant ainsi le besoin de composés coûteux de métaux de transition et de lithium."