Un nouveau catalyseur permet de recharger les batteries zinc-air jusqu'à 500 fois
Ce nouveau matériau pourrait permettre de fabriquer des batteries dont la densité énergétique serait jusqu’à cinq fois supérieure à celle des batteries lithium-ion, ce qui les rendrait adaptées à une utilisation pratique.
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Les piles zinc-air peuvent stocker nettement plus d’énergie que les batteries lithium-ion, mais jusqu’à présent, il était pratiquement impossible de les recharger. Une équipe dirigée par le professeur Jörg J. Schneider, du département de chimie, vient de démontrer comment un matériau composé de fer, de nickel et de carbone permet de charger et de décharger la pile jusqu’à 500 fois.
Elles sont utilisées depuis des décennies dans les appareils auditifs : les piles zinc-air. Elles sont techniquement au point et largement répandues, mais elles présentent un inconvénient majeur : une fois déchargées, elles finissent à la poubelle. Les versions rechargeables sont jusqu’à présent rares sur le marché. Elles recèlent pourtant un grand potentiel. En théorie, les batteries zinc-air peuvent stocker jusqu’à cinq fois plus d’énergie que les batteries lithium-ion largement utilisées aujourd’hui. Les principaux obstacles sont leur rechargeabilité totale et les processus chimiques complexes au sein de la cellule, qui sont techniquement difficiles à contrôler. C’est précisément ce qui rend ce sujet si passionnant pour la recherche fondamentale.
Le groupe de recherche dirigé par le professeur Jörg J. Schneider, du département de chimie de l’université technique de Darmstadt, vient de décrire dans la revue « Advanced Science » une avancée importante vers la mise au point d’une batterie zinc-air rechargeable. L’équipe a mis au point un nouveau matériau et étudié ses propriétés électrochimiques ; ce matériau agit comme un catalyseur particulièrement efficace et durable au sein de la batterie. Ce matériau est à base de ce que l’on appelle des spinelles. Ce groupe de minéraux est très répandu dans la nature ; la trévorite, un composé de nickel, de fer et d’oxygène, en est un exemple. En chimie, en science des matériaux et en génie électrique, les spinelles sont déjà utilisés de multiples façons en raison de leurs propriétés particulières.
Les chercheurs de Darmstadt ont fixé directement et solidement de minuscules particules de spinelle – de l’ordre de quelques nanomètres seulement – à des nanomatériaux de carbone. De plus, les éléments azote et phosphore sont incorporés à la surface du carbone. On obtient ainsi un matériau composite capable de remplir plusieurs fonctions simultanément : il conduit l’électricité, est chimiquement stable et active l’élément clé de la batterie, l’oxygène.
Une batterie zinc-air utilise l’oxygène présent dans l’air ambiant. Lors de la décharge, l’oxygène subit une réaction chimique ; lors de la charge, il doit être reformé. Ces deux réactions ne peuvent se produire qu’à l’aide d’un catalyseur. La recherche de matériaux capables de soutenir efficacement et de manière constante ces deux processus revêt une importance capitale. C’est précisément ce que permet le nouveau catalyseur : lors d’expériences, il a permis d’atteindre jusqu’à 500 cycles de charge et de décharge. Un facteur crucial à cet égard est une sorte de « point de rencontre » au sein de la batterie où trois éléments clés doivent se réunir : le catalyseur solide, la solution électrolytique liquide – qui facilite le transport de charge – et l’oxygène de l’air. Ce n’est que si cette zone de contact – que les experts appellent la « triple jonction » – reste stable pendant le fonctionnement que la batterie fonctionnera de manière fiable. Le nouveau matériau composite crée des conditions favorables à cela.
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