Un nouveau matériau pour la cathode rapproche la mise au point des batteries zinc-ion aqueuses
Les chercheurs ont eu recours au broyage à billes comme méthode économique pour créer des défauts d'oxygène dans le MnO₂ électrolytique.
Annonces
L'un des plus grands défis auxquels sont confrontés les scientifiques et les ingénieurs à l'ère des énergies propres n'est pas de savoir comment produire de l'énergie à partir du soleil et du vent, mais comment la stocker.
Traditionnellement, les batteries lithium-ion sont utilisées dans les véhicules car elles permettent de stocker une grande quantité d’énergie dans un espace réduit, ne perdent qu’une faible quantité d’énergie lors de la charge et de la décharge, et réagissent rapidement aux variations de la demande en énergie. Malgré ces avantages, les batteries lithium-ion présentent des risques d’inflammabilité, sont sujettes à des pénuries dans la chaîne d’approvisionnement et sont coûteuses, ce qui incite à mener des recherches sur d’autres technologies de matériaux pour les batteries du futur.
L’une des technologies étudiées par les chercheurs pour les applications de batteries est celle des batteries au zinc-ion aqueuses (AZIB). Contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, les AZIB utilisent des ions zinc bivalents (Zn²⁺, un atome métallique chargé positivement ayant perdu deux électrons) à la place des ions lithium monovalents (Li⁺) comme porteurs de charge, c’est-à-dire les particules en mouvement qui transportent une charge électrique pour créer un flux d’électricité. De plus, les AZIB utilisent comme électrolyte des solutions aqueuses sûres, à base d’acide doux ou de sel neutre, au lieu de solvants liquides organiques volatils et hautement inflammables, ce qui les rend ininflammables. Les anodes des AZIB, c’est-à-dire la source d’électrons et le lieu où se produit l’oxydation chimique, sont également constituées de zinc, un matériau bon marché et abondant, plutôt que de composés de lithium, ce qui les rend plus rentables.
La recherche d’une cathode idéale, c’est-à-dire d’une électrode chargée positivement qui acquiert des électrons lors de la décharge, pour les AZIB a constitué le principal obstacle au développement de cette technologie. Pour remédier à ce problème, une équipe de chercheurs de l’université de Chongqing, de l’université pédagogique du Guizhou, de l’université de Hainan et de l’université de Taizhou a exploré l’utilisation de dioxyde de manganèse électrolytique (MnO₂) fabriqué en laboratoire comme matériau de cathode pour les AZIB, en raison de son faible coût, de son abondance, de sa grande capacité de stockage d’énergie et de sa sécurité.
L’équipe a publié son article, intitulé « Unveiling the action mechanism of synergistic d/p-band center modulation on the zinc storage capability of industrial-grade MnO₂ cathode » (Révélation du mécanisme d’action de la modulation synergique des centres des bandes d et p sur la capacité de stockage du zinc d’une cathode en MnO₂ de qualité industrielle), le 15 juillet dans Nano Research Energy, une revue éditée par Tsinghua University Press.
« L’application pratique duMnO₂ électrolytique de qualité industrielle(EMD) est entravée par sa faible conductivité intrinsèque — sa capacité à conduire l’électricité —, qui ralentit la cinétique des réactions, ainsi que par son instabilité structurelle lors des cycles de charge et de décharge. Cette dernière entraîne des transitions de phase irréversibles – des changements thermodynamiques qui ne permettent pas au système de revenir à son état initial sans apport d’énergie extérieure –, une dégradation structurelle et la dissolution consécutive du manganèse, provoquant une perte de capacité irréversible. Par conséquent, l’exploration des cathodes à base d’EMD représente une étape cruciale pour combler le fossé entre la recherche fondamentale et la mise en œuvre pratique des batteries AZIB… ainsi que pour développer des solutions de stockage d’énergie à l’échelle du réseau commercialement viables », a déclaré Zhenyue Xing, maître de conférences à l’École des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’université de Hainan à Haikou, en Chine, et l’un des auteurs de cette étude.
Une façon d’améliorer la conductivité électronique, d’affaiblir le piégeage électrostatique des ions Zn²⁺ et d’accélérer la cinétique de diffusion ionique de l’EMD consiste à créer des défauts d’oxygène, c’est-à-dire des atomes d’oxygène manquants dans la structure cristalline d’un matériau solide, tel que le MnO₂, dans l’EMD commercial. Ces défauts laissent derrière eux des électrons supplémentaires et permettent aux électrons de se déplacer librement à travers le matériau.
Les chercheurs ont eu recours au broyage à billes, un procédé consistant à faire rouler ou vibrer mécaniquement des billes lourdes à l’intérieur d’un récipient pour broyer des poudres, comme méthode économique pour créer des défauts d’oxygène dans l’EMD. Grâce à ce procédé, l’énergie de cisaillement mécanique libère l’oxygène du réseau cristallin de l’EMD.
L’équipe a mesuré les propriétés fondamentales de l’EMD broyé par billes par rapport à l’EMD natif, telles que les énergies d’adsorption (la force de liaison entre une molécule et une surface) et les barrières cinétiques, reflétées par les énergies de migration des ionsZn²⁺et H⁺, c’est-à-dire les barrières énergétiques que les atomes ou molécules chargés doivent surmonter pour se déplacer à travers un matériau solide ou un réseau cristallin.
« À la suite du traitement par broyage à billes, la teneur en oxygène de l’EMD diminue de 68,93 % à 61,17 %, tandis que la teneur en manganèse augmente en conséquence de 31,07 % à 38,83 %. Ce changement de composition indique la formation de lacunes d’oxygène (Ov) au sein de la structure du MnO₂. La présence deOv favorise le transport d’électrons grâce à la semi-métallicité induite (une propriété selon laquelle les électrons d’un sens de spin conduisent l’électricité comme un métal, tandis que ceux du spin opposé se comportent comme un isolant), ce qui améliore la conductivité et peut ainsi optimiser les performances électrochimiques de la cathode en MnO₂ », a déclaré Xing.
Les chercheurs ont découvert que les défauts d’oxygène dans l’EMD broyé en billes décalent les niveaux d’énergie des bandes (d) métalliques et des bandes (p) non métalliques, qui désignent les orbitales atomiques conférant les propriétés conductrices des métaux ou des non-métaux, afin d’équilibrer les énergies de liaison ionique, empêchant ainsi le piégeage ou la rétention des ionsZn²⁺et H⁺, l’un des inconvénients de l’EMD natif. Ce décalage des niveaux d’énergie réduit également les barrières de diffusion (l’énergie nécessaire aux ions pour se déplacer à travers une structure cristalline) et limite les distorsions structurelles observées dans l’EMD au cours des cycles de charge-décharge.
« Cette étude fournit non seulement un matériau d’électrode haute performance pour les batteries ZIB avancées, mais elle offre également des aperçus mécanistiques approfondis sur le rôle crucial de la chimie des défauts dans la régulation de la cinétique des réactions, ouvrant ainsi une voie prometteuse et évolutive pour le développement de matériaux de stockage d’énergie de nouvelle génération », a déclaré Xing.
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.
Publication originale
Autres actualités du département science
