Des chercheurs de l'Université Case Western Reserve et de l'Université du Texas du Nord ont créé ce qu'ils pensent être le premier électrocatalyseur bifonctionnel sans métal qui fonctionne aussi bien ou mieux que la plupart des électrodes en métal et en oxyde métallique dans les batteries zinc-air.

Les batteries zinc-air devraient être plus sûres, briquet, moins chères, plus puissantes et durables que les batteries lithium-ion courantes dans les téléphones portables et les ordinateurs portables et de plus en plus utilisées dans les voitures hybrides et électriques.

Ce catalyseur à base de carbone fonctionne efficacement à la fois dans la réaction de réduction de l'oxygène et dans la réaction de dégagement d'oxygène, rendant la batterie rechargeable. Le catalyseur est également peu coûteux, facile à faire et plus écologique que la plupart des matériaux alternatifs.

La recherche est publiée dans l'édition en ligne de Nature Nanotechnologie .

"Avec piles, le coût est toujours un problème et les catalyseurs sans métal peuvent réduire les coûts tout en améliorant les performances, " dit Liming Dai, professeur de science et d'ingénierie macromoléculaires à l'Université Case Western Reserve et auteur principal de l'étude. "Ces batteries pourraient être utilisées dans les ordinateurs, stations de données, pour l'éclairage - partout où les piles sont utilisées maintenant. "

Dai a travaillé avec le postdoctorant de Case Western Reserve Jintao Zhang, qui a effectué des travaux expérimentaux ; et Zhenhai Xia de la North Texas University, professeur de science et génie des matériaux, et Zhenghang Zhao, un doctorant, qui a effectué des simulations théoriques.

Les batteries zinc-air mélangent l'oxygène de l'air avec du zinc dans un électrolyte alcalin liquide pour créer une charge. Les batteries peuvent avoir trois fois la densité énergétique des batteries lithium-ion, mais ont été lents. Pour contrer ce problème, les chercheurs recherchent différents matériaux catalytiques.

Ce catalyseur est un aérogel de carbone stable, ou mousse, avec des pores allant de 2 à 50 nanomètres de diamètre, fournissant une surface et un espace énormes pour la diffusion de l'électrolyte de la batterie.

Les chercheurs ont suivi une procédure de fabrication de mousse publiée par des scientifiques de l'Université de Stanford en 2012. Ils ont polymérisé des molécules du composé organique aniline en longues chaînes dans une solution d'acide phytique, puis lyophilisé l'hydrogel tridimensionnel dans un aérogel.

"Ce que nous avons fait de nouveau, c'est de carboniser la structure 3D, le transformer en un matériau carboné graphitique, " dit Zhang.

Pour faire ça, les chercheurs ont chauffé l'aérogel à 1, 000 degrés Celsius en l'absence d'oxygène. Le processus, appelée pyrolyse, provoqué une réaction thermochimique, transformer la mousse en réseau graphitique, avec de nombreuses arêtes de graphène qui se sont avérées cruciales pour la catalyse.

"C'est un low-cost, un pas, processus évolutif, " a déclaré Dai. "L'électrocatalyseur produit des résultats comparables ou meilleurs que des matériaux plus coûteux."

L'aniline infuse, ou dopes, la mousse à l'azote, ce qui améliore la réaction de réduction de l'oxygène. L'acide phytique imprègne la mousse de phosphore. "Le co-dopage de l'azote et du phosphore améliore à la fois les réactions de réduction et de dégagement d'oxygène, comme le confirment les calculs des premiers principes", dit Xia.

Dans les comparaisons, les performances de la mousse de carbone dans un primaire, ou non rechargeable, batterie et une batterie rechargeable égalaient ou surpassaient celles des catalyseurs coûteux à base d'oxyde de platine/métal. Et, il avait une meilleure stabilité à long terme.

La mousse de carbone a également égalé ou surpassé la plupart des catalyseurs sans métal précédemment rapportés, même des catalyseurs à base de carbone récemment développés avec des métaux.

Avancer, L'équipe de Dai a commencé à optimiser davantage le processus tout en étudiant d'autres matériaux carbonés graphitiques co-dopés avec différents éléments pour une utilisation possible dans d'autres technologies énergétiques et environnementales.

Le laboratoire de Dai a précédemment développé des catalyseurs à base de carbone qui ont des performances comparables ou supérieures à celles des catalyseurs à base de métaux plus coûteux utilisés dans les piles à combustible alcalines et acides et dans les cellules solaires à colorant.

"Peut-être qu'il est temps de faire pression pour des catalyseurs sans métal dans les appareils commerciaux, " dit Dai.