Les oxydes en couches peuvent constituer la base de matériaux hautes performances pour les électrodes de batterie. Une équipe de KAUST a développé une technique simple et peu coûteuse qui crée cet élément crucial pour les piles zinc-ion rechargeables.

Les batteries lithium-ion alimentent la plupart de nos appareils électroniques quotidiens, tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables. Mais il y a un besoin croissant de stocker de l'énergie à des échelles beaucoup plus grandes, comme la conservation de l'électricité produite par les cellules solaires pour une utilisation nocturne. La mise à l'échelle de la technologie des batteries lithium-ion jusqu'à une telle application de niveau industriel est coûteuse et présente de sérieux problèmes de sécurité, y compris la toxicité et l'inflammabilité des électrolytes.

L'équipe, dirigé par Husam Alshareef, développe plutôt des batteries zinc-ion qui utilisent un électrolyte à base d'eau, qui a l'avantage d'être stable à l'air, en sécurité, respectueux de l'environnement et pas cher. "Les batteries aqueuses à base d'ions zinc peuvent offrir une solution plus sûre, solution rentable aux batteries lithium-ion pour le stockage en réseau, " dit Alshareef. " De plus, ils utilisent des matériaux plus respectueux de l'environnement que les batteries au plomb."

Les batteries lithium-ion et zinc-ion fonctionnent en stockant électriquement des ions dans une électrode. Pendant la charge, les ions circulent à travers un électrolyte d'une électrode à l'autre, où ils sont capturés par un processus appelé intercalation. Cela signifie que les matériaux des électrodes sont essentiels pour optimiser les performances d'une batterie.

Une famille de matériaux qui s'est révélée très prometteuse dans les récentes recherches sur les batteries zinc-ion est celle des composés à base de vanadium. Ces matériaux ont une structure cristalline atomique en couches et très ouverte avec de nombreux espaces pour piéger et stocker les ions zinc.

L'équipe a maintenant développé une approche micro-ondes pour synthétiser rapidement des cathodes ultralongues de pyrovanadate de zinc (Zn3V2O7(OH)2·2H2O). Ils ont mélangé Zn(NO3)2·2H2O avec de la poudre commerciale de NH4VO3, chacun dissous dans de l'eau déminéralisée, et appliqué un rayonnement micro-ondes pour induire une réaction. Le matériau résultant a ensuite été séché avant d'être utilisé dans une batterie.

Cette batterie zinc-ion, ils montrent, peut atteindre une densité d'énergie allant jusqu'à 214 wattheures par kilogramme, ce qui est beaucoup plus élevé que les batteries zinc-ion aqueuses précédemment signalées et les batteries plomb-acide commerciales, avec une stabilité améliorée.

L'équipe pense que leur technique à micro-ondes pourrait également être utile pour créer d'autres composés de pyrovanadate métalliques, explique Chuan Xia, doctorat étudiant et auteur principal de l'étude. "Nous avons déjà fabriqué des composés dans lesquels le zinc est remplacé par d'autres cations qui créent des polyèdres d'oxyde métallique plus grands capables d'intercaler des quantités encore plus élevées d'ions zinc, " dit Xia.