Des nanoparticules contenant trois couches de matériau différentes peuvent aider à augmenter les performances d'une batterie zinc-air, Les chercheurs d'A*STAR ont découvert.

Les batteries zinc-air sont bon marché, ont une densité énergétique élevée, et durent très longtemps. Leur utilisation d'un électrolyte à base d'eau les rend plus sûres que les autres batteries, on les trouve donc souvent dans des applications médicales, tels que les appareils auditifs et les appareils de surveillance cardiaque.

L'électrode négative de la batterie contient du zinc métallique, qui cède des électrons lorsqu'il réagit avec les ions hydroxyde dans l'électrolyte. Ces électrons génèrent un courant lorsqu'ils circulent vers l'électrode positive, où ils réagissent avec l'oxygène de l'air pour produire plus d'ions hydroxyde.

La lenteur de la réaction avec l'oxygène limite la tension de sortie de la batterie et ses performances à fort courant. Trouver un catalyseur pour accélérer la réaction pourrait donner des densités de puissance et d'énergie plus élevées, ouvrant un plus large éventail d'applications potentielles.

Yun Zong et Zhaolin Liu de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR et leurs collègues ont développé un catalyseur à nanoparticules qui pourrait faire l'affaire. Les particules mesurent 20 à 50 nanomètres de diamètre, avec un noyau de cobalt enrobé d'une enveloppe interne d'oxyde de cobalt, qui est entouré d'une enveloppe extérieure de polydopamine pyrolysée (PPD), une forme de carbone « parsemé » d'atomes d'azote. Ces nanoparticules sont enrobées sur un support de carbone poreux qui fait office d'électrode. Leur structure permet de les empêcher de lessiver le cobalt ou de s'agglutiner, et la coque extérieure protectrice rend également les nanoparticules plus durables.

Ces nanoparticules à trois couches ont transformé efficacement l'oxygène en hydroxyde en une seule étape. L'équipe suggère que les atomes d'azote dans la coque PPD aident à attirer et à rendre les atomes d'oxygène plus réactifs sur leur chemin vers des sites catalytiquement actifs dans l'oxyde de cobalt et le PPD. Pendant ce temps, le noyau de cobalt et l'enveloppe PPD aident les électrons à circuler efficacement vers les atomes d'oxygène. En revanche, particules similaires ne contenant que du cobalt et de l'oxyde de cobalt, ou PPD seul, transformé l'oxygène dans un processus en deux étapes qui a produit de l'hydroperoxyde, un intermédiaire indésirable et corrosif.

Les chercheurs ont testé leur électrode dans une pile zinc-air (voir image), et a découvert qu'il pouvait produire un courant de cinq milliampères par centimètre carré d'électrode à 1,36 volts pendant cinq jours, surpassant une électrode qui reposait sur un catalyseur au platine conventionnel.

"La prochaine étape de cette recherche comprend la simplification de la voie de synthèse pour faciliter la synthèse à grande échelle des nanoparticules, et l'exploitation d'autres systèmes catalytiques suivant la même stratégie, " dit Zong.