Les chercheurs ont construit un système plus efficace, batterie potassium-oxygène plus fiable, une étape vers une solution potentielle de stockage d'énergie sur le réseau électrique du pays et des batteries plus durables dans les téléphones portables et les ordinateurs portables.

Dans une étude publiée vendredi dans la revue Batteries et Supercaps , des chercheurs de l'Ohio State University ont détaillé leurs découvertes centrées sur la construction de la cathode de la batterie, qui stocke l'énergie produite par une réaction chimique dans une batterie métal-oxygène ou métal-air. La découverte, disent les chercheurs, pourrait faire des sources d'énergie renouvelables comme l'énergie solaire et éolienne des options plus viables pour le réseau électrique en les rendant moins chères, stockage d'énergie plus efficace.

« Si vous voulez passer à une option entièrement renouvelable pour le réseau électrique, vous avez besoin de dispositifs de stockage d'énergie économiques qui peuvent stocker l'excès d'énergie et restituer cette énergie lorsque vous n'avez pas la source prête ou en état de marche, " dit Vishnu-Baba Sundaresan, co-auteur de l'étude et professeur de génie mécanique et aérospatial à l'Ohio State. "Une technologie comme celle-ci est la clé, parce que c'est pas cher, il n'utilise aucun matériau exotique, et il peut être fabriqué n'importe où et promouvoir l'économie locale."

Les sources d'énergie renouvelables n'émettent pas de dioxyde de carbone, ils ne contribuent donc pas au réchauffement climatique, mais ils ne fournissent de l'énergie que lorsque le soleil brille ou que le vent souffle. Pour qu'elles soient des sources d'énergie fiables pour le réseau énergétique d'une région, il doit y avoir un moyen de stocker l'excès d'énergie provenant du soleil et du vent.

Entreprises, les scientifiques et les gouvernements du monde entier travaillent sur des solutions de stockage, allant des batteries lithium-ion - des versions plus grandes de celles de nombreux véhicules électriques - aux batteries géantes de la taille d'un magasin à grande surface fabriquées à partir de vanadium métallique.

Les batteries potassium-oxygène sont une alternative potentielle pour le stockage d'énergie depuis leur invention en 2013. Une équipe de chercheurs de l'Ohio State, dirigé par le professeur de chimie Yiying Wu, ont montré que les batteries pourraient être plus efficaces que les batteries lithium-oxygène tout en stockant simultanément environ deux fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion existantes. Mais les batteries potassium-oxygène n'ont pas été largement utilisées pour le stockage d'énergie car, jusque là, ils n'ont pas été en mesure de recharger suffisamment de fois pour être rentables.

Alors que les équipes tentaient de créer une batterie potassium-oxygène qui pourrait être une solution de stockage viable, ils n'arrêtaient pas de se heurter à un barrage routier :la batterie se dégradait à chaque charge, ne dure jamais plus de cinq ou 10 cycles de charge, loin d'être suffisant pour faire de la batterie une solution rentable de stockage d'énergie. Cette dégradation s'est produite parce que l'oxygène s'est glissé dans l'anode de la batterie, l'endroit qui permet aux électrons de charger un appareil, que ce soit un téléphone portable ou un réseau électrique. L'oxygène a causé la rupture de l'anode, faisant en sorte que la batterie elle-même ne puisse plus fournir une charge.

Paul Gilmore, un doctorant au laboratoire de Sundaresan, a commencé à incorporer des polymères dans la cathode pour voir s'il pouvait protéger l'anode de l'oxygène. S'il pouvait trouver un moyen de le faire, il pensait, cela donnerait aux batteries potassium-oxygène une chance d'avoir une durée de vie plus longue. Il s'est avéré qu'il avait raison :l'équipe s'est rendu compte que le gonflement du polymère jouait un rôle essentiel dans ses performances. La clé, Gilmore a dit, cherchait un moyen d'apporter de l'oxygène dans la batterie - nécessaire pour qu'elle fonctionne - sans permettre à l'oxygène de s'infiltrer dans l'anode.

Cette conception fonctionne un peu comme les poumons humains :l'air entre dans la batterie à travers une couche de carbone fibreux, rencontre ensuite une deuxième couche légèrement moins poreuse et se termine enfin par une troisième couche, qui est à peine poreux. Cette troisième couche, en polymère conducteur, permet aux ions potassium de circuler à travers la cathode, mais empêche l'oxygène moléculaire d'atteindre l'anode. La conception signifie que la batterie peut être chargée au moins 125 fois, ce qui donne aux batteries potassium-oxygène plus de 12 fois la longévité qu'elles avaient auparavant avec des électrolytes à faible coût.

Le constat montre que c'est possible, mais les tests de l'équipe n'ont pas prouvé que les batteries peuvent être fabriquées à l'échelle nécessaire pour le stockage sur le réseau électrique, dit Sundaresan. Cependant, ça montre du potentiel.

Gilmore a déclaré que les batteries potassium-oxygène pourraient également être utiles dans d'autres applications.

"Les batteries à oxygène ont une densité énergétique plus élevée, ce qui signifie qu'ils peuvent améliorer l'autonomie des véhicules électriques et la durée de vie des batteries des appareils électroniques portables, par exemple, bien que d'autres défis doivent être surmontés avant que les batteries potassium-oxygène soient viables pour ces applications, " il a dit.

Et la découverte offre une alternative aux batteries lithium-ion et autres qui reposent sur le cobalt, un matériau qui a été appelé "le diamant du sang des batteries". L'extraction du matériau est si troublante que les grandes entreprises, dont TESLA, ont annoncé leur intention de l'éliminer complètement des batteries.

« Il est très important que les batteries destinées à des applications à grande échelle n'utilisent pas de cobalt, " a déclaré Sundaresan.

Et il est également important que la batterie puisse être fabriquée à moindre coût. Les batteries lithium-oxygène - une solution de stockage d'énergie possible qui est largement considérée comme l'une des options les plus viables - peuvent être coûteuses, et beaucoup dépendent de ressources rares, y compris le cobalt. Les batteries lithium-ion qui alimentent de nombreuses voitures électriques coûtent environ 100 $ le kilowattheure au niveau des matériaux.

Les chercheurs ont estimé que cette batterie potassium-oxygène coûtera environ 44 $ par kilowattheure.

"Quand il s'agit de piles, Une taille unique ne convient pas à tous, " a déclaré Sundaresan. "Pour les batteries potassium-oxygène et lithium-oxygène, le coût a été prohibitif pour les utiliser comme alimentation de secours du réseau. Mais maintenant que nous avons montré que nous pouvons fabriquer une batterie aussi bon marché et aussi stable, puis il le met en concurrence avec d'autres technologies pour la sauvegarde de l'alimentation du réseau.

"Si vous avez une petite batterie bon marché, alors vous pouvez parler de l'augmenter. Si vous avez une petite batterie de 1 $, 000 par pop, alors l'augmenter n'est tout simplement pas possible. Cela ouvre la porte à son extension."