« Ces batteries vont ruiner le lithium » : des chercheurs accusent le zinc-ion de menacer l’industrie mondiale avec 99,96 % d’efficacité

Les batteries zinc-ion suscitent un intérêt croissant en raison de leur capacité à utiliser des matériaux bon marché et abondants, tels que le zinc et l’eau. Ces batteries représentent une solution prometteuse pour le stockage d’énergie à grande échelle. Des chercheurs de l’Université nationale de Séoul ont récemment amélioré la performance et la stabilité de ces batteries en modifiant un seul composant de l’électrolyte. Grâce à cette innovation, les cellules de test ont atteint une efficacité coulombique moyenne de 99,96 % et ont maintenu un fonctionnement stable pendant jusqu’à 600 cycles de charge-décharge.

Optimisation de l’électrolyte par co-solvant

Un défi majeur des batteries zinc-ion réside dans l’interface entre l’électrode et l’électrolyte liquide. Souvent, les molécules d’eau se décomposent, et le zinc se dépose de manière inégale, formant des dendrites susceptibles de provoquer des courts-circuits. Pour remédier à cela, l’équipe de recherche a mis l’accent sur l’ingénierie du co-solvant de l’électrolyte. Un co-solvant modifié à base de phosphate, le diethyl(difluoromethyl)phosphonate (DEDFP), a été développé en substituant un groupe éthoxy dans le phosphate de triéthyle par un groupe difluorométhyle.

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Cette modification structurelle permet une interaction plus faible et optimale avec les ions zinc par rapport à la molécule TEP d'origine. Cela réduit l'énergie nécessaire pour que les ions zinc se débarrassent de leur coquille de solvant environnante et se déposent sur l'électrode. Le DEDFP, étant plus hydrophobe, repousse activement les molécules d'eau de la surface de l'électrode, créant ainsi une barrière physique cruciale pour supprimer la décomposition de l'eau.

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Formation d'une couche protectrice

Un résultat clé de l'utilisation du co-solvant DEDFP est la formation d'une couche protectrice stable sur la surface de l'électrode de zinc. Cette molécule modifiée est plus facilement réduite lors de la première charge de la batterie. Ce processus de réduction peut induire la décomposition du groupe difluorométhyle, conduisant à la formation d'une couche SEI passivante composée de ZnF₂ sur la surface de l'anode.

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Cette couche, connue sous le nom d'interface solide-électrolyte, est conductrice d'ions, permettant aux ions zinc de passer, tout en bloquant physiquement l'eau et d'autres espèces réactives d'atteindre l'électrode. Cela contribue à améliorer la stabilité et la sécurité de la batterie, tout en prolongeant sa durée de vie.

Améliorations claires des performances

Lors de tests sur des cellules symétriques, les électrodes cyclées dans le système DEDFP ont montré des profils de tension et une morphologie stables, même à des densités de courant élevées. La microscopie électronique à balayage a révélé que le zinc était déposé en couches plates et alignées latéralement, contrairement aux structures irrégulières ou dendritiques observées dans les électrolytes à base de TEP et d'eau pure.

Les gains de performance étaient également évidents dans les configurations de cellules complètes utilisant une cathode V₆O₁₃. Dans ce cas, le système DEDFP a montré une rétention de capacité stable à des taux de charge et de décharge plus élevés, tandis que les autres systèmes se dégradaient rapidement. Cela met en lumière le potentiel pratique de cette avancée pour des applications réelles.

Ces innovations dans le domaine des batteries zinc-ion pourraient transformer le paysage actuel du stockage d'énergie, en offrant des solutions plus sûres et plus économiques que les systèmes lithium-ion traditionnels. Alors que la recherche continue d'évoluer, quelles autres technologies émergentes pourraient-elles venir compléter ou remplacer les solutions actuelles de stockage d'énergie ?