Une découverte fortuite lors de la recherche sur les batteries à l'Oregon State University a des implications majeures pour l'invention de nouveaux matériaux avec une vaste gamme d'applications scientifiques et commerciales, dit l'auteur correspondant de l'étude.

Bon nombre des défis les plus importants de la science remontent aux limites des matériaux disponibles connus, mais un phénomène nommé « insertion de contre-ions » par les chercheurs de l'OSU College of Science ouvre la porte à « un grand nombre de nouveaux solides avec des valeurs transcendant différentes disciplines bien au-delà de la chimie des batteries, " a déclaré Xiulei (David) Ji, professeur agrégé de chimie. "C'est le point de départ d'un tout nouveau domaine."

Par exemple, les batteries conçues selon cette construction présentent un potentiel remarquable de stockage d'énergie à faible coût, dit Ji. Par rapport aux batteries lithium-ion utilisées pour alimenter les téléphones portables, ordinateurs portables, équipement médical, outils électroportatifs, véhicules et plus, ils sont plus sûrs et plus respectueux de l'environnement et peuvent être plus rentables.

Les résultats viennent d'être publiés dans Énergie Carbone .

Recherche sur la chimie du stockage des ions dans les solides, en particulier, en regardant les anions plutôt que les cations pour stocker l'énergie—Ji et Ph.D. l'étudiant Heng Jiang a testé l'oxyde de manganèse Mn3O4 comme électrode dans une batterie à ions zinc.

Le test d'hébergement des ions zinc a échoué mais a plutôt livré une électrode de batterie au chlorure sans précédent, montrant que les batteries hébergeant des anions fonctionnent mieux une fois que les cations sont piégés dans les électrodes.

"Nous nous attendons à ce que cela marque l'inauguration de l'insertion de contre-ions en tant que méthodologie générique d'électrosynthèse pour la conception de matériaux, " Ji a dit. " Les processus de décharge ou de charge de la batterie peuvent être de puissants outils de synthèse, et le processus où une électrode ne parvient pas à fournir les propriétés souhaitables dans un type de batterie peut être l'électrosynthèse exacte nécessaire pour créer une excellente électrode pour un autre type de batterie."

Il existe de nombreux types de batteries différents, mais elles fonctionnent toutes de la même manière et contiennent les mêmes composants de base :deux électrodes :l'anode, d'où les électrons s'écoulent dans un circuit externe, et la cathode, qui acquiert les électrons du circuit externe - et l'électrolyte, le milieu chimique qui sépare les électrodes et permet la circulation des ions entre elles.

La plupart des piles, Ji explique, stocker l'électricité via des cations. Un cation est un élément ou une molécule auquel il manque un ou plusieurs électrons et qui est chargé positivement. Un anion, qui peut également être utilisé pour stocker de l'électricité, est un élément ou une molécule qui a un ou plusieurs électrons supplémentaires et est chargé négativement.

"Il y a moins de matériaux connus qui peuvent stocker des anions de manière réversible que pour stocker des cations, " Ji a dit. " Comme exemple pour le stockage de cations, l'insertion réversible d'ions lithium a conduit à la technologie des batteries lithium-ion."

Réversible signifie que la batterie peut être rechargée, comme celui d'un téléphone portable.

Les batteries lithium-ion fonctionnent bien car le cation stocké est petit et léger. Pour le stockage des anions, les anions souhaitables sont des halogénures - un seul atome d'halogène avec un électron supplémentaire. Iode, brome, chlore, et le fluor sont les halogènes, et leurs anions sont connus sous le nom d'iodure, bromure, chlorure et fluorure.

"Le chlorure est relativement léger et petit par rapport aux autres types d'anions qui ont été essayés, des ions polyatomiques volumineux comme le nitrate, sulfate et hexafluorophosphate, qui tendent à déformer progressivement les structures d'électrodes, " dit Ji.

Dans cette étude, la cathode Mn3O4 stockait le chlorure de manière réversible avec une grande efficacité après que les cations zinc (Zn2+) aient été piégés dans la structure chimique de la cathode.

"Les cations piégés transforment le Mn3O4 de telle sorte que le stockage réversible du chlorure devient beaucoup plus viable, " Ji a dit. " Le zinc et le chlorure sont des contre-ions l'un à l'autre, ce qui provoque des interactions favorables conduisant à des propriétés de capacité inédites, potentiel de fonctionnement et durée de vie. La cathode d'hébergement d'anions fonctionne avec une anode en zinc métallique dans une batterie à double ion pleine cellule avec un électrolyte aqueux."

Les batteries à double ion ont à la fois des cations et des anions impliqués dans la réduction-oxydation électrochimique de la batterie, ou redox, réaction.

Les batteries de la variété à double ion qui utilisent des électrolytes aqueux - des électrolytes contenant de l'eau - ont « un potentiel remarquable pour le stockage d'énergie à faible coût, " dit Ji. Par rapport aux batteries lithium-ion, ils sont plus en sécurité, plus respectueux de l'environnement et peut être plus rentable.

"Nous avons démontré cette chimie de batterie en instance de brevet dans des prototypes de cellules de poche, qui est proche de la commercialisation, " dit-il. " Plus important encore, l'insertion de contre-ions ressemble à une méthodologie avec d'importantes implications d'électrosynthèse dans tout le spectre de la science des matériaux. La connaissance de l'insertion de contre-ions va potentiellement croître de façon exponentielle au cours des trois à cinq prochaines années avec de nombreux nouveaux matériaux à inventer. »