Un nouveau catalyseur rapproche les batteries zinc-air commerciales à haut rendement de la réalité

La conversion efficace des sources d’énergie fossiles vers des sources d’énergie renouvelables nécessite des batteries rechargeables rentables et de grande capacité. Les batteries zinc-air (ZAB) peuvent théoriquement stocker de grandes quantités d'énergie, mais les technologies actuelles nécessitent l'utilisation de catalyseurs à métaux nobles coûteux, ou d'agents qui accélèrent une réaction chimique, qui sont sous-performants dans les réactions de charge et de décharge.

Un nouveau catalyseur métal-azote-carbone a été développé pour être utilisé dans les ZAB qui surpassent les catalyseurs à métaux nobles, améliorant ainsi l'efficacité et la praticité de la technologie ZAB. Les ZAB fonctionnent en oxydant le zinc avec l’oxygène de l’air. Des recherches récentes ont démontré qu'un catalyseur incorporant une combinaison de différents atomes de métaux non nobles pourrait augmenter le taux de réactions de décharge et les performances de la batterie.

Avec ces preuves à l’esprit, un groupe de chercheurs de l’Université du Hunan, de l’University College de Londres et de l’Université d’Oxford ont généré un catalyseur métal-azote-carbone non noble à partir de fer, de cobalt et de nickel (Fe, Co et Ni, respectivement) pour améliorer la charge, la décharge et la rentabilité des ZAB. Il est important de noter que l'équipe a également optimisé un film flexible à points de carbone/alcool polyvinylique (CD/PVA) en tant qu'électrolyte ZAB à l'état solide, ou composant de batterie qui transfère les atomes chargés, créant ainsi une batterie haute performance flexible et stable qui pourrait potentiellement être utilisée dans appareils portables.

L'équipe a publié son étude dans la revue Énergie de recherche nano le 17 mai 2024 .

« Les batteries métal-air rechargeables sont des sources d'énergie prometteuses, notamment les batteries zinc-air (ZAB) qui offrent des densités d'énergie théoriques élevées (1 084 Wh kg⁻¹), le respect de l'environnement et la rentabilité. De plus, les ZAB rechargeables sont non seulement sûrs et stables, mais également portables et portables. Des recherches importantes sont actuellement axées sur les ZAB rechargeables et flexibles”, a déclaré Huanxin Li, chercheur au Département de chimie de l'Université d'Oxford, auteur principal de l'article et responsable de ce projet.

Les ZAB se déchargent et se chargent via deux réactions : la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER), respectivement. Ces réactions sont notoirement lentes et nécessitent des catalyseurs qui accélèrent la réaction électrochimique, ou des électrocatalyseurs. Bien que les métaux nobles soient capables d'accélérer l'ORR et l'OER, des problèmes de coût, de performances sous-optimales et l'exigence de deux métaux nobles différents ont limité l'aspect pratique global de la technologie ZAB.

“Le développement d'électrocatalyseurs non nobles bifonctionnels efficaces et peu coûteux est crucial pour la commercialisation des ZAB rechargeables. Parmi les divers catalyseurs non nobles, les nanomatériaux métal-azote-carbone (MNC) ont attiré une attention particulière en raison de leur faible prix, de leurs réserves abondantes, excellente activité électrochimique et haute stabilité », a déclaré le Dr Li.

Créer un électrocatalyseur composé de trois atomes métalliques différents n’est cependant pas une mince affaire, en raison des différentes forces d’interaction qui se produisent avec chaque atome métallique. Pour résoudre ce problème, l’équipe a utilisé des structures imidazolates zéolitiques (ZIF), des structures carbone-azote qui entourent et organisent chacun des trois atomes métalliques (Fe, Co et Ni), pour ancrer uniformément les atomes catalytiques sur le carbone poreux à haute température.

L'équipe a confirmé la distribution des atomes de Fe, Co et Ni via la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX), la microscopie électronique à transmission à balayage à champ sombre annulaire à grand angle corrigée des aberrations sphériques (AC-HAADF-STEM) et l'énergie électronique. spectroscopie de perte (EELS).

Dans l’ensemble, l’électrocatalyseur ternaire Fe-Co-Ni a surpassé les électrocatalyseurs bimétalliques (FeNi, FeCo et CoNi) ainsi que le platine et le ruthénium, deux électrocatalyseurs à métaux nobles, dans les réactions de réduction et d’évolution de l’oxygène. L’équipe estime que les trois atomes métalliques de l’électrocatalyseur ternaire sont actifs et coopèrent pour augmenter l’activité catalytique, Fe contribuant le plus à l’activité en tant qu’atome le plus abondant. La structure poreuse et la surface accrue de l’électrocatalyseur contribuent probablement également à l’activité catalytique améliorée.

Dans l'ensemble, le ZAB rechargeable de l'équipe a atteint une capacité spécifique de 846,8 mAh·g._Zn⁻¹ et une densité de puissance impressionnante de 135 mW·cm^–2 dans un électrolyte liquide. Le ZAB atteint également une densité de puissance de 60 mW·cm^–2 en utilisant l'électrolyte à semi-conducteurs CD/PVA optimisé de l'équipe, qui dépasse les résultats rapportés des ZAB à semi-conducteurs avec d'autres catalyseurs.

Il est important de noter que le ZAB développé dans le cadre de l’étude était à la fois durable et stable, et capable d’alimenter un ventilateur et un écran LED ainsi que de charger un téléphone portable. Les chercheurs espèrent que leur électrocatalyseur ternaire Fe-Co-Ni et leur électrolyte CD/PVA stimuleront les recherches sur de nouveaux catalyseurs et électrolytes pour les technologies ZAB pratiques et hautes performances.

Parmi les autres contributeurs figurent Shifeng Qin, Mengxue Cao et Zhongyuan Huang du Collège de chimie et de génie chimique de l'Université du Hunan à Changsha, en Chine ; Kaiqi Li, Guanjie He et Ivan P. Parkin du Département de chimie de l'University College London à Londres, Royaume-Uni ; et Wuhua Liu de Guizhou Dalong Huicheng New Material Co., Ltd, à Tongren, en Chine.