L'adoption généralisée des énergies renouvelables dans le réseau électrique nécessite le bon type de batterie, une batterie sûre, durable, puissant, durable, et fabriqués à partir de matériaux abondants et de source éthique.

Merci aux scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), nous sommes peut-être un pas de plus vers la réalisation de cette vision.

En partenariat avec des collègues de l'Argonne National Laboratory et du MEET Battery Research Center de l'Université de Münster en Allemagne, Scientifique des matériaux du PNNL et chercheur postdoctoral distingué Linus Pauling, Ismaël Rodriguez Pérez, a formulé un nouveau type de chimie cellulaire pour les batteries à double ion (DIB). La nouvelle chimie DIB, appelé graphite||batterie à double ion aqueuse en métal zinc, utilise une anode en zinc et une cathode en graphite naturel dans un électrolyte aqueux ou « eau-dans-bisel ».

Utilisation réussie d'une cathode en graphite dans un électrolyte aqueux

L'utilisation d'électrolytes aqueux n'est pas nouvelle, l'utilisation du graphite non plus. En réalité, les batteries lithium-ion (Li-ion) utilisent du graphite comme composant d'anode, et les DIB non aqueux utilisent du graphite à la fois comme anode et comme cathode. Ce qui est nouveau, c'est de combiner les deux dans une nouvelle chimie.

Pour faire ça, Rodríguez Pérez et son équipe ont donné un coup de pouce supplémentaire à l'électrolyte aqueux en utilisant une solution "eau-dans-bisalte" hautement concentrée. La solution élargit la fenêtre de stabilité électrochimique de l'électrolyte et permet au graphite comme matériau de cathode dans un système aqueux pratique, ce qui était auparavant considéré comme impossible. Cela permet de stabiliser l'électrolyte à haute tension, laisser le graphite s'oxyder électrochimiquement avant l'électrolyte aqueux.

"C'est juste un gros mélange de trucs vraiment cool mis en place, " a déclaré Rodríguez Pérez. " La concentration d'ions de sel est si incroyablement élevée, c'est presque comme si l'eau n'était plus là. Donc, l'électrolyte aqueux ne se décompose pas dans des tensions où il le ferait normalement, permettant l'utilisation du graphite. C'est le résultat le plus étonnant dans ce domaine."

Rodríguez Pérez s'appuie sur des recherches antérieures menées par Kang Xu du United States Army Research Laboratory et Chunsheng Wang de l'Université du Maryland, qui a développé pour la première fois ces électrolytes aqueux hautement concentrés en 2015.

La batterie a montré des performances prometteuses lors des tests. À environ 2,3 à 2,5 volts, il a atteint l'un des potentiels de fonctionnement les plus élevés de toutes les batteries aqueuses.

« Nous fonctionnons à des tensions plus élevées que toute autre batterie au zinc aqueuse et également toute autre batterie aqueuse à double ion, " a ajouté Rodríguez Pérez.

Rodríguez Pérez et ses collaborateurs ont décrit le nouveau type de chimie des cellules de batterie dans l'article, « Activation du graphite naturel dans les batteries à double ion en métal aqueux à haute tension en graphite, " qui a publié l'automne dernier en Matériaux énergétiques avancés .

Des batteries plus sûres et plus durables

Mais la nouvelle chimie des cellules n'améliore pas seulement les performances de la batterie, c'est aussi meilleur pour l'environnement.

Des cathodes constituées de matériaux carbonés très abondants, comme le graphite naturel, sont moins coûteux et plus durables que nocifs pour l'environnement, rare, et des métaux chers, comme le nickel et le cobalt, régulièrement utilisé dans les batteries Li-ion. L'utilisation d'un électrolyte aqueux rend également les DIB plus sûres car elles sont ininflammables par rapport aux batteries Li-on commerciales, qui utilisent exclusivement des électrolytes non aqueux.

"Dans la recherche sur les batteries, nous essayons d'atteindre plusieurs résultats essentiels à la croissance et à l'adoption du marché, " a déclaré Rodríguez Pérez. "Nous voulons utiliser plus abondant, moins cher, et des matériaux plus durables, tout en augmentant la durée de vie de la batterie et en maintenant une densité d'énergie modérée."

"La chimie cellulaire du graphite || zinc métal avec l'électrolyte aqueux spécialement conçu peut présenter des avantages en termes de coût, durabilité, et sécurité par rapport aux batteries Li-ion, en raison des matériaux utilisés, " explique Tobias Placke, chef de groupe des matériaux au MEET Battery Research Center.

Dans les DIB, la cathode positive et l'électrode négative peuvent être constituées de matériaux à base de carbone à faible coût comme le graphite. Cela fait des DIB une solution particulièrement prometteuse pour soutenir l'adoption généralisée des sources d'énergie renouvelables, comme l'éolien et le solaire pour le réseau électrique.

Mais jusqu'à maintenant, l'utilisation du graphite comme cathode a été limitée par la stabilité électrochimique étroite de l'eau, qui plafonne à 1,23 volts. La fenêtre de stabilité électrochimique est la plage de potentiel entre laquelle l'électrolyte n'est ni oxydé ni réduit (décomposé), et un bâton de mesure important pour l'efficacité d'un électrolyte en contact avec une électrode. Le graphite nécessiterait une fenêtre de stabilité beaucoup plus large.

Et c'est exactement ce que fait cette nouvelle chimie cellulaire.

Potentiel intéressant pour le stockage stationnaire de l'énergie du réseau

La mécanique des DIB en fait une option particulièrement intéressante pour le réseau électrique.

En général, chaque cellule de batterie comporte trois parties principales :une électrode positive appelée cathode, une électrode négative appelée anode, et un électrolyte. Dans les batteries Li-ion, la puissance est générée lorsque les ions Li (ions ou cations chargés positivement) circulent de la cathode à l'anode et inversement dans un mouvement de chaise berçante à travers l'électrolyte. Cela équilibre la charge lorsque les électrons traversent un circuit externe de la cathode à l'anode, créer de l'électricité.

Dans les DIB, les cations et les anions (ions chargés négativement) sont actifs et se déplacent en parallèle de l'électrolyte vers l'anode et la cathode, respectivement, à la manière d'un accordéon ; cela permet des applications potentiellement à haute puissance, comme les supercondensateurs, tout en étant capable d'utiliser une énergie modérément élevée, comme des piles. Par ailleurs, ce mécanisme rend les ions de l'électrolyte actifs, permettant une optimisation supplémentaire de la batterie.

Mais il y a encore du travail à faire. Les DIB ne fonctionnent toujours qu'à environ un tiers de la capacité des batteries Li-on, ils ne peuvent donc pas rivaliser, encore. Les batteries Li-on ont toujours l'une des densités d'énergie les plus élevées de tous les systèmes comparables, ce qui signifie qu'ils peuvent fournir une quantité importante d'énergie tout en restant petits. Cet avantage est l'une des principales raisons pour lesquelles ils sont utilisés dans les applications mobiles, comme les smartphones et les voitures électriques.

Mais Rodríguez Pérez voit une solution à cela :rendre les DIB trois fois plus gros.

"Si nous pouvons atteindre une tension suffisamment élevée pour la batterie, même si les performances ne sont pas à la hauteur des batteries lithium-ion, nous pouvons agrandir les batteries à double ion et en faire un candidat approprié pour les applications de stockage d'énergie du réseau, " a déclaré Rodríguez Pérez. " Bien que vous ne puissiez pas l'utiliser pour alimenter votre téléphone, votre service public local peut l'utiliser pour stocker de l'énergie pour votre maison, stabiliser la grille, et augmenter la fiabilité."

Un avenir radieux pour les batteries à double ion

L'Union internationale de chimie pure et appliquée a classé les DIB parmi les « Dix premières technologies émergentes en chimie 2020 » pour reconnaître son potentiel dans la résolution des « principaux problèmes mondiaux » à l'avenir.

Continuer à développer la science derrière les batteries de stockage d'énergie du réseau peut générer de nouvelles approches et de nouvelles chimies cellulaires et nous rapprocher encore plus de l'adoption généralisée de sources d'énergie renouvelables pour le réseau électrique.

Et c'est exactement ce que Rodríguez Pérez et son équipe du PNNL ont l'intention de faire. L'étape suivante consiste à optimiser l'électrolyte aqueux « eau-dans-bisel » - actuellement, le sel utilisé dans la chimie des cellules est plus cher que les deux électrodes.

« Le PNNL est au rez-de-chaussée avec cette technologie prometteuse, " a déclaré Rodríguez Pérez. " Il y a tellement de place pour l'innovation dans les batteries à double ion. "