Une nouvelle membrane améliore la réversibilité des piles zinc-air

L'irréversibilité électrochimique de l'anode en zinc et la dégradation des cathodes à air dans un électrolyte alcalin constituent des obstacles de longue date à la mise en œuvre pratique des piles zinc-air rechargeables (ZAB), ce qui se traduit par une faible durée de vie et une tension de cellule basse.

Afin d'améliorer la réversibilité des ZAB, des efforts exhaustifs ont été déployés pour exploiter des catalyseurs très résistants pour la cathode à air tout en affaiblissant la corrosion de l'anode en zinc par la conception de l'électrode ou des additifs pour l'électrolyte. Ces stratégies permettent d'atténuer, mais pas de surmonter complètement, les principaux défis associés à l'électrolyte fortement alcalin.

Adoptant une approche différente, une équipe de recherche dirigée par ZHANG Xinbo, de l'Institut de chimie appliquée de Changchun (CIAC) de l'Académie chinoise des sciences, a récemment mis au point un ZAB hybride stable et à haute tension en utilisant une anode de Zn neutre, une cathode acide et une membrane à double effet hydrophobe pour séparer les deux électrodes. Leurs résultats ont été publiés dans Joule.

Les chercheurs ont constaté qu'il était possible d'obtenir un placage/décapage de Zn hautement réversible dans des électrolytes neutres, tandis que les électrolytes acides sont essentiels pour immuniser la cathode aérienne contre les problèmes d'empoisonnement au_CO2. Ils ont donc proposé un ZAB hybride en découplant les environnements fonctionnels de la cathode à air acide et de l'anode de Zn neutre.

Cependant, la condition préalable essentielle au fonctionnement à long terme d'un ZAB hybride est que les deux électrodes fonctionnent indépendamment dans leurs environnements respectifs, empêchant ainsi complètement et en permanence le passage des protons du catholyte à l'anolyte. En se basant sur cette condition préalable, les chercheurs ont proposé une membrane hydrophobe conductrice d'ions et faisant écran aux protons pour rendre ce système hybride possible.

Cette cellule hybride permet notamment d'optimiser la chimie redox de l'anode de Zn et de la cathode d'air. Cela permet un stripping/placage stable du Zn dans l'électrolyte neutre et une tension élevée de la réaction redox de l'oxygène dans l'électrolyte acide. Par conséquent, le ZAB hybride présente une tension de fonctionnement élevée de 1,5 V et une longue durée de vie de 2000 heures.

ZHANG et son équipe ont proposé deux types de prototypes de cellules hybrides qui utiliseraient la stratégie de blindage des protons et de conduction des ions hydrophobes. La batterie hybride Zn-Mn et la batterie hybride Zn-Br devraient toutes deux présenter une tension potentiellement élevée et une longue durée de vie, démontrant ainsi la faisabilité de l'utilisation de ces cellules hybrides pour créer des batteries aqueuses à haute densité énergétique.

Selon ZHANG, "l'apparition d'une ZAB hybride pourrait également stimuler le développement de nombreux domaines en plein essor, tels que les ORR/OER acides dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons et les électrolyseurs."