Crédit :CC0 Domaine public
Établissant à nouveau l'Université du Maryland (UMD) en tant que leader dans le développement d'une technologie de batterie révolutionnaire, une équipe dirigée par des chercheurs de l'école d'ingénierie A. James Clark de l'UMD a créé une batterie au zinc à base d'eau qui est à la fois puissante, rechargeable, et à sécurité intrinsèque. Un article évalué par des pairs basé sur la recherche a été publié le 16 avril dans la revue à fort impact Matériaux naturels .
Avec des collègues du U.S. Army Research Laboratory (ARL) et du National Institute of Standards and Technology (NIST), les ingénieurs de l'UMD ont combiné l'ancienne technologie des batteries (zinc métallique) avec la nouvelle (électrolytes eau-dans-sel). S'appuyant sur les avancées antérieures de l'UMD pour créer des batteries plus sûres en utilisant un nouvel électrolyte aqueux au lieu de l'électrolyte organique inflammable utilisé dans les batteries lithium-ion conventionnelles, les chercheurs ont augmenté l'énergie de la batterie aqueuse en ajoutant du zinc métallique - utilisé comme anode de la toute première batterie - ainsi que son sel à l'électrolyte.
"Les batteries à base d'eau pourraient être cruciales pour prévenir les incendies dans l'électronique, mais leur stockage d'énergie et leur capacité ont été limités - jusqu'à présent. Pour la première fois, nous avons une batterie qui pourrait rivaliser avec les batteries lithium-ion en densité énergétique, mais sans risque d'explosion ou d'incendie, " dit Fei Wang, un associé postdoctoral nommé conjointement à la Clark School de l'UMD et à l'ARL, et premier auteur de l'article.
Les chercheurs affirment que la nouvelle pile au zinc aqueuse pourrait éventuellement être utilisée non seulement dans l'électronique grand public, mais aussi dans des conditions extrêmes pour améliorer les performances des véhicules critiques pour la sécurité tels que ceux utilisés dans l'aérospatiale, militaire, et les milieux océaniques profonds.
À titre d'exemple de la puissance et de la sécurité de la batterie au zinc aqueux, Fei Wang cite les nombreux incendies de batterie dans les téléphones portables, ordinateurs portables, et les voitures électriques mises en évidence dans la récente couverture médiatique. La nouvelle batterie au zinc aqueuse présentée dans ce travail pourrait être la réponse à l'appel pour une chimie de batterie sûre tout en maintenant les densités d'énergie comparables ou même plus élevées des batteries lithium-ion conventionnelles.
Cette pile au zinc aqueux hautement concentré surmonte également d'autres inconvénients des piles au zinc classiques, telles que la capacité à ne supporter que des cycles de recharge limités, croissance de dendrites (structures arborescentes de cristaux) pendant l'utilisation et la recharge, et une consommation d'eau soutenue, d'où la nécessité de renouveler régulièrement l'électrolyte des batteries avec de l'eau.
« Les piles au zinc existantes sont sûres et relativement peu coûteuses à produire, mais ils ne sont pas parfaits en raison d'un cycle de vie médiocre et d'une faible densité énergétique. Nous surmontons ces défis en utilisant un électrolyte eau-dans-sel, " dit Chunsheng Wang, Professeur UMD de génie chimique et biomoléculaire et auteur correspondant de l'article.
La conception d'un artiste d'un ion zinc qui a été entièrement entouré d'anions dans l'électrolyte super concentré essaie de briser la liaison et de se déposer sur la surface métallique du zinc d'une manière contrôlée et lisse. Crédit :Illustration d'Eric Proctor
Plus loin, dans cet effort de collaboration, les chercheurs ont identifié la raison fondamentale de l'irréversibilité des batteries au zinc - un phénomène observé dans l'utilisation des batteries rechargeables où la quantité de charge qu'une batterie peut fournir à la tension nominale diminue avec l'utilisation - et ont trouvé une nouvelle solution. Le secret était de modifier la structure de la sphère de solvatation du cation zinc (ions chargés positivement).
"Parce que la plupart des molécules d'eau dans le nouvel électrolyte sont fortement liées par le sel hautement concentré, l'eau dans l'électrolyte aqueux de la batterie au zinc ne s'évapore pas dans une cellule ouverte. Cette avancée révolutionne les batteries zinc-air, qui sont alimentés par l'oxydation du zinc avec l'oxygène de l'air, tels que ceux utilisés dans le stockage de l'énergie dans les réseaux, " ajoute Chunsheng Wang.
L'équipe de recherche affirme que cette avancée technologique de la batterie jette les bases d'autres recherches, et ils espèrent une éventuelle commercialisation future.
« Les batteries au zinc fourniraient un moyen de stockage d'énergie puissant et peu coûteux si elles pouvaient être rechargeables. Cette recherche a permis de découvrir des moyens de contrôler quelles molécules de l'électrolyte entourent les ions qui se déplacent dans une batterie lors du stockage et de la libération d'énergie. Ici, les co-auteurs ont appliqué ces connaissances pour fabriquer une batterie au zinc hautement rechargeable qui pourrait offrir un faible coût, alternative sûre pour l'électronique grand public, voitures, et stockage du réseau électrique, " dit Joseph Dura, un physicien au NIST et co-auteur de l'article.
"La découverte significative faite dans ce travail a touché le problème central des batteries au zinc aqueux, et pourrait avoir un impact sur d'autres chimies de cations de multivalence aqueux ou non aqueux qui font face à des défis similaires, comme les batteries au magnésium et à l'aluminium, " dit Kang Xu, Fellow ARL et co-auteur de cet article.
