Les batteries aqueuses au zinc sont des alternatives prometteuses à leurs cousines lithium-ion, mais elles souffrent d'un des mêmes problèmes : la formation de dendrites. Ces structures en forme d'aiguilles se forment à la surface de l'anode de zinc et se développent dans l'électrolyte, provoquant un court-circuit ou, dans certains cas, même l'allumage de la batterie. Une équipe de chercheurs en Chine a maintenant montré que l'ajout de sucre de table ordinaire (saccharose) chimiquement modifié avec des groupes hydroxyles à l'électrolyte peut ralentir la croissance des dendrites de zinc en modifiant l'environnement du solvant. De plus, le saccharose forme également un revêtement protecteur sur l'anode et ralentit sa corrosion.
Les batteries lithium-ion sont les batteries les plus largement utilisées aujourd'hui dans les appareils électroniques portables et les véhicules électriques, mais les électrolytes organiques inflammables et toxiques qu'elles contiennent sont une source de préoccupation. Le lithium est également cher par rapport à certains autres métaux plus courants, et l'approvisionnement mondial est victime de diverses incertitudes. Les batteries au zinc, qui sont normalement constituées d'électrolytes aqueux, sont un substitut intéressant car le zinc est moins cher, moins toxique, plus facilement recyclé et plus largement disponible que le lithium. Ils ont également une densité d'énergie élevée, avec une capacité spécifique élevée (820 mAh/g et 5 855 mAh/cm3) et un potentiel redox favorable (-0.76V par rapport à l'électrode à hydrogène standard) de l'anode Zn.
Le problème est que lorsque l'ion zinc (Zn2+) la concentration à la surface de l'anode tombe à zéro, les dendrites commencent à se développer dessus. La présence de ces structures entraîne une détérioration des performances électrochimiques de la batterie et peut être dangereuse si elle n'est pas contrôlée.
Modification de l'environnement solvant
Des études récentes ont montré que la modification de l'environnement du solvant (ou "structure de solvatation"), par exemple en introduisant des sels ou en incluant moins de molécules d'eau, peut augmenter la vitesse à laquelle Zn2+ les ions se déplacent en réponse à un champ électrique et suppriment donc la croissance des dendrites. Cependant, de tels ajustements diminuent malheureusement la conductivité ionique du système de batterie, entraînant de moins bonnes performances globales.
Dans la nouvelle étude, des chercheurs dirigés par un expert en nanotechnologie Mei Nan Liu des Université des sciences et de la technologie de Chine ont découvert que l'introduction de saccharose contenant des groupes hydroxyle est un moyen efficace de réguler la structure de solvatation du Zn2+ ions, ce qui augmente la vitesse à laquelle les ions se propagent sans diminuer la conductivité ionique. Le saccharose peut également stabiliser l'électrolyte aqueux tout en s'absorbant sur l'anode de Zn pour y former une couche protectrice. Cela empêche la corrosion de l'électrolyte sur l'anode Zn, disent-ils.
"Le saccharose avec des groupes hydroxyle interagit fortement avec Zn2+ par rapport aux molécules d'eau dans l'électrolyte », explique Liu. "Il peut donc remplacer certaines molécules d'eau et se coordonner avec le Zn2+, régulant ainsi la structure de solvatation des ions.
Formation de dendrites réduite
« Le Zn modifié2+ La structure de solvatation a une influence importante sur la cinétique des ions, y compris la vitesse à laquelle ils diffusent à travers l'électrolyte », explique-t-elle. Monde de la physique. "Nos résultats expérimentaux démontrent clairement que le nombre de transfert de Zn2+ augmente avec l'introduction de saccharose. Cette mobilité accrue des ions aide à réduire la formation de dendrites comme mentionné.
Le sel industriel rend une batterie au zinc plus sûre et plus durable
Selon les chercheurs, leur technique pourrait aider les scientifiques à développer des batteries Zn hautes performances et rapprocher de la réalité une batterie Zn sûre et respectueuse de l'environnement.
Pour l'avenir, Liu et ses collègues disent qu'ils prévoient de se concentrer sur le développement d'électrolytes avec une bonne conductivité ionique qui fonctionnent à des températures plus basses. Ils détaillent leur étude actuelle dans Nano-recherche.
