Transformer les déchets végétaux en piles sûres de nouvelle génération
Un hydrogel d'origine végétale dompte les dendrites de zinc et permet aux piles aqueuses de dépasser les 1 000 cycles stables
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Les batteries zinc-ion aqueuses promettent un stockage d'énergie sûr et peu coûteux, mais le zinc métallique développe des dendrites en forme d'aiguilles qui court-circuitent les cellules en quelques centaines de cycles. Aujourd'hui, un hydrogel purement végétal semble résoudre le problème sans avoir recours à des additifs toxiques ou à des céramiques coûteuses.
L'équipe a dissous de la cellulose microcristalline dans un bain de glace alcalin/urée, puis a cousu le polymère avec du borax pour former le réseau primaire. Dans cet échafaudage, ils ont incorporé des nanofibres de cellulose oxydées au TEMPO, des brins en forme de ruban de 3 nm d'épaisseur et de centaines de nanomètres de long qui portent des groupes carboxyles denses. Les nanofibres servent à la fois d'armature mécanique et de voies express ioniques : les simulations de dynamique moléculaire montrent que la diffusion de Zn2+ le long du composite atteint 4,59 × 10-4 m2 s-1, soit presque le double de celle de la cellulose ordinaire.
Les essais mécaniques révèlent que le film optimisé - d'une épaisseur de 1 mm seulement - atteint une résistance à la traction de 0,57 MPa après trempage dans du ZnSO4 2 M, soit quatre fois plus que le film témoin composé uniquement de cellulose, tout en restant transparent à 62 %. Les cellules symétriques Zn//Zn cyclées à 0,5 mA cm-2 survivent pendant 1 100 heures sans chute soudaine de tension, alors que les séparateurs commerciaux en fibre de verre tombent en panne après 120 heures. Même à 10 mA cm-2, l'hydrogel résiste pendant 650 heures, et un test au four à 45 °C montre une durée de vie quatre fois plus longue que celle de la référence liquide.
Associées à une cathode V2O5 prétraitée au NaCl, les cellules pleines délivrent 237 mAh g-1 à 0,2 A g-1 et conservent 79,9 % de leur capacité après 1 000 cycles à 1 A g-1 ; les électrolytes liquides s'effacent à 69,4 %. Les images AFM post-mortem montrent que la surface de zinc protégée reste lisse (Ra ≈ 52 nm) alors que l'homologue liquide développe des nodules dendritiques rugueux (Ra ≈ 108 nm).
Il est essentiel que le matériau soit conçu pour être fabriqué dans le monde réel. Tous les ingrédients - poudre de cellulose, pulpe de bambou, borax et ZnSO4 - sont des produits chimiques de base, et le gel peut être coulé sur des rouleaux comme pour la fabrication du papier. Les coûts montrent que 1 cm2 de bio-gel ne coûte que 8 % d'un séparateur commercial en fibre de verre, tandis que la digestion par la cellulase l'élimine en quatre heures, offrant une voie de fin de vie que les membranes conventionnelles n'ont pas.
Les cellules souples fabriquées avec l'électrolyte continuent d'alimenter une minuterie lorsqu'elles sont pliées à 90° sous un poids de 2 kg, ce qui laisse présager des utilisations dans le domaine des objets portables ou des textiles électroniques. Les auteurs affirment que la même chimie de réticulation devrait fonctionner avec des sels de sodium ou d'aluminium, ce qui pourrait élargir le dividende de la durabilité à d'autres chimies post-lithium.
Les agences de financement chinoises soutenant les essais à grande échelle, l'hydrogel de cellulose semble prêt à quitter le laboratoire et à entrer dans les lignes de revêtement pilote, transformant d'abondants déchets végétaux en gardiens discrets des batteries sûres de la prochaine génération.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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