une image SEM. La barre d'échelle :10 μm. b Modèle XRD. c Image AFM. d Image HRTEM de Zn3Mn vue selon la direction [001]. La barre d'échelle :10 nm. e, f Image HAADF-STEM et la structure cristalline atomique correspondante. Les barres d'échelle :2 nm. Les boules violettes dans le modèle de structure cristalline représentent les atomes de Zn/Mn co-occupés. g Structure atomique et paysage énergétique ad-atome de surface de Zn3Mn. h Illustration schématique des procédés de placage de Zn sur l'anode en Zn (en haut) et l'anode en Zn-Mn (en bas). De :stable, haute performance, sans dendrite, batteries aqueuses à base d'eau de mer
Des chercheurs de l'Oregon State University College of Engineering ont développé une anode de batterie basée sur un nouvel alliage nanostructuré qui pourrait révolutionner la façon dont les dispositifs de stockage d'énergie sont conçus et fabriqués.
L'alliage à base de zinc et de manganèse ouvre davantage la porte au remplacement des solvants couramment utilisés dans les électrolytes des batteries par quelque chose de beaucoup plus sûr et peu coûteux, ainsi qu'abondant :l'eau de mer.
Les résultats ont été publiés dans Communication Nature .
« Les besoins énergétiques mondiaux augmentent, mais le développement de systèmes de stockage d'énergie électrochimiques de nouvelle génération à haute densité d'énergie et à longue durée de vie reste techniquement difficile, " dit Zhenxing Feng, chercheur en génie chimique à l'OSU. "Les piles aqueuses, qui utilisent des solutions conductrices à base d'eau comme électrolytes, sont une alternative émergente et beaucoup plus sûre aux batteries lithium-ion. Mais la densité énergétique des systèmes aqueux a été relativement faible, et aussi l'eau va réagir avec le lithium, ce qui a encore entravé l'utilisation généralisée des batteries aqueuses."
Une batterie stocke de l'énergie sous forme d'énergie chimique et la convertit par des réactions en énergie électrique nécessaire pour alimenter les véhicules, téléphones portables, ordinateurs portables et de nombreux autres appareils et machines. Une batterie se compose de deux bornes :l'anode et la cathode, généralement composé de différents matériaux, ainsi que d'un séparateur et d'un électrolyte, un milieu chimique qui permet l'écoulement de la charge électrique.
Dans une batterie lithium-ion, comme son nom l'indique, une charge est transportée via les ions lithium lorsqu'ils se déplacent à travers l'électrolyte de l'anode à la cathode pendant la décharge, et inversement pendant la recharge.
"Les électrolytes dans les batteries lithium-ion sont généralement dissous dans des solvants organiques, qui sont inflammables et se décomposent souvent à des tensions de fonctionnement élevées, " a déclaré Feng. " Il y a donc évidemment des problèmes de sécurité, y compris avec croissance de dendrite de lithium à l'interface électrode-électrolyte ; cela peut provoquer un court-circuit entre les électrodes."
Les dendrites ressemblent à de minuscules arbres poussant à l'intérieur d'une batterie lithium-ion et peuvent percer le séparateur comme des chardons poussant à travers les fissures d'une allée; le résultat est des réactions chimiques indésirables et parfois dangereuses.
Les incidents de combustion impliquant des batteries lithium-ion ces dernières années incluent un incendie sur un Boeing 787 en stationnement en 2013, explosions de smartphones Galaxy Note 7 en 2016 et incendies de Tesla Model S en 2019.
Les batteries aqueuses sont une alternative prometteuse pour un stockage d'énergie sûr et évolutif, dit Feng. Les électrolytes aqueux sont économiques, sans danger pour l'environnement, capable de charger rapidement et de hautes densités de puissance et très tolérant aux mauvaises manipulations.
Leur utilisation à grande échelle, cependant, a été entravé par une tension de sortie limitée et une faible densité d'énergie (les batteries avec une densité d'énergie plus élevée peuvent stocker de plus grandes quantités d'énergie, tandis que les batteries avec une densité de puissance plus élevée peuvent libérer de grandes quantités d'énergie plus rapidement).
Mais les chercheurs de l'Oregon State, l'Université de Floride centrale et l'Université de Houston ont conçu une anode composée d'un «alliage de zinc-M» tridimensionnel comme anode de batterie, où M fait référence au manganèse et à d'autres métaux.
"L'utilisation de l'alliage avec sa nanostructure spéciale supprime non seulement la formation de dendrites en contrôlant la thermodynamique de réaction de surface et la cinétique de réaction, il démontre également une stabilité très élevée sur des milliers de cycles dans des conditions électrochimiques difficiles, " a déclaré Feng. " L'utilisation du zinc peut transférer deux fois plus de charges que le lithium, améliorant ainsi la densité énergétique de la batterie.
Un ventilateur électrique (en haut à gauche) est alimenté par la batterie zinc proposée; profils de charge/décharge typiques des ZIB à 0,5C (en haut à droite) ; configuration de microscope in-situ pour imager la dynamique de dépôt de zinc (en bas à gauche) ; et le changement de morphologie causé par le dépôt de zinc (en bas à droite). Crédit :Université de Houston
"Nous avons également testé notre batterie aqueuse à l'eau de mer, au lieu de l'eau déminéralisée de haute pureté, comme électrolyte, " a-t-il ajouté. " Nos travaux montrent le potentiel commercial pour la fabrication à grande échelle de ces batteries. "
Feng et Ph.D. l'étudiant Maoyu Wang a utilisé la spectroscopie d'absorption des rayons X et l'imagerie pour suivre les changements atomiques et chimiques de l'anode à différentes étapes de l'opération, ce qui a confirmé le fonctionnement de l'alliage 3-D dans la batterie.
"Nos études théoriques et expérimentales ont prouvé que l'anode en alliage 3-D a une stabilité interfaciale sans précédent, obtenu par un canal de diffusion favorable du zinc à la surface de l'alliage, " a déclaré Feng. " Le concept démontré dans ce travail collaboratif est susceptible d'apporter un changement de paradigme dans la conception d'anodes en alliage haute performance pour les batteries aqueuses et non aqueuses, révolutionner l'industrie de la batterie."
