Un nouveau matériau permet de créer de meilleures batteries et piles à combustible à base d'hydrogène

Des chercheurs dirigés par Genki Kobayashi du RIKEN Cluster for Pioneering Research au Japon ont développé un électrolyte solide pour transporter les ions hydrure (H⁻) à température ambiante.

Cette avancée signifie que les avantages des batteries à semi-conducteurs et des piles à combustible à base d’hydrogène sont à portée de main, notamment une sécurité, une efficacité et une densité énergétique améliorées, qui sont essentielles pour progresser vers une économie énergétique pratique basée sur l’hydrogène. L'étude a été publiée dans la revue Matériaux énergétiques avancés.

Pour que le stockage d’énergie et les carburants à base d’hydrogène se généralisent, ils doivent être sûrs, très efficaces et aussi simples que possible. Les piles à combustible à base d'hydrogène actuellement utilisées dans les voitures électriques fonctionnent en permettant aux protons d'hydrogène de passer d'une extrémité à l'autre de la pile à combustible à travers une membrane polymère lors de la génération d'énergie.

Un mouvement efficace et rapide de l’hydrogène dans ces piles à combustible nécessite de l’eau, ce qui signifie que la membrane doit être continuellement hydratée afin de ne pas se dessécher. Cette contrainte ajoute une couche de complexité et de coût à la conception des batteries et des piles à combustible, limitant ainsi l’aspect pratique d’une économie énergétique basée sur l’hydrogène de nouvelle génération. Pour surmonter ce problème, les scientifiques ont eu du mal à trouver un moyen de conduire les ions hydrures négatifs à travers des matériaux solides, en particulier à température ambiante.

L'attente est terminée. “Nous avons franchi une véritable étape”, déclare Kobayashi. “Notre résultat est la première démonstration d'un électrolyte solide conducteur d'ions hydrure à température ambiante.”

L'équipe avait expérimenté des hydrures de lanthane (LaH_3-δ) pour plusieurs raisons : l'hydrogène peut être libéré et capturé relativement facilement, la conduction des ions hydrures est très élevée, ils peuvent fonctionner en dessous de 100°C et avoir une structure cristalline.

Mais, à température ambiante, le nombre d’hydrogènes attachés au lanthane oscille entre 2 et 3, rendant impossible une conduction efficace. Ce problème est appelé non-stoechiométrie de l’hydrogène et constitue le plus grand obstacle surmonté dans la nouvelle étude. Lorsque les chercheurs ont remplacé une partie du lanthane par du strontium (Sr) et ajouté juste une pincée d'oxygène, pour obtenir une formule de base de La_{1 fois}Sr_XH_3-x-2aÔ_ouiils ont obtenu les résultats qu’ils espéraient.

L’équipe a préparé des échantillons cristallins du matériau à l’aide d’un processus appelé broyage à boulets, suivi d’un recuit. Ils ont étudié les échantillons à température ambiante et ont découvert qu’ils pouvaient conduire des ions hydrure à un débit élevé. Ensuite, ils ont testé ses performances dans une pile à combustible à semi-conducteurs fabriquée à partir du nouveau matériau et du titane, en faisant varier les quantités de strontium et d'oxygène dans la formule. Avec une valeur optimale d'au moins 0,2 strontium, ils ont observé une conversion complète de 100 % du titane en hydrure de titane, ou TiH.₂. Cela signifie que presque aucun ion hydrure n’a été gaspillé.

“À court terme, nos résultats fournissent des lignes directrices pour la conception de matériaux pour les électrolytes solides conducteurs d'ions hydrures”, explique Kobayashi. “À long terme, nous pensons qu'il s'agit d'un point d'inflexion dans le développement de batteries, de piles à combustible et de cellules électrolytiques fonctionnant à l'hydrogène.”

La prochaine étape consistera à améliorer les performances et à créer des matériaux d’électrode capables d’absorber et de libérer de l’hydrogène de manière réversible. Cela permettrait de recharger les batteries, ainsi que de stocker l’hydrogène et de le libérer facilement en cas de besoin, ce qui est une exigence pour l’utilisation de l’énergie à base d’hydrogène.