Une nouvelle batterie au zinc-air atteint plus de 300 heures d’autonomie et constitue une alternative au lithium.

Les batteries au zinc-air constituent depuis des années une alternative intéressante en raison de leur capacité à stocker de l’énergie et de l’utilisation de matériaux relativement abondants. Cependant, un obstacle a limité leur développement : permettre à ces batteries de se recharger efficacement et de conserver leurs performances après de nombreux cycles reste un défi pour les chercheurs.

Une équipe de chimistes de l’Université technique de Darmstadt, en Allemagne, a développé un nouveau matériau qui pourrait aider à surmonter cet obstacle. La recherche vise à améliorer les réactions chimiques qui se produisent au sein de ces batteries, dans le but d’obtenir un fonctionnement plus stable et durable. Les résultats obtenus en laboratoire indiquent des applications possibles dans le stockage de l’énergie renouvelable.

Un catalyseur hybride pour améliorer les batteries au zinc-air

Le secret de cette avancée réside dans un catalyseur composé de fer, de nickel et de carbone. L’équipe dirigée par le professeur Jörg J. Schneider a combiné des particules de ferrite de nickel de taille nanométrique avec une structure de carbone modifiée au nitrogène et au phosphore. Cette configuration permet d’améliorer l’activité du matériau tout en maintenant sous contrôle les réactions chimiques nécessaires pour charger et décharger la batterie.

Les ferrites de nickel avaient déjà été étudiées comme catalyseurs pour favoriser les réactions à l’oxygène dans les batteries au zinc-air rechargeables. Le problème était que ces matériaux présentaient une activité chimique limitée et pouvaient perdre leur stabilité pendant le fonctionnement. Pour y remédier, les chercheurs ont intégré de petites particules dans une structure en carbone en forme de nanoroches, ce qui contribue à les maintenir dispersées et empêche qu’elles ne se regroupent ou ne se dissolvent trop facilement.

Cette enveloppe en carbone facilite également le transport des électrons ainsi que des substances impliquées dans les réactions électrochimiques. En même temps, elle offre davantage de points actifs permettant la survenue de ces réactions. Le résultat est un catalyseur hybride conçu pour fonctionner plus longtemps sans perdre en efficacité, ce qui constitue l’un des critères essentiels pour que les batteries au zinc-air puissent devenir une option viable pour les applications de stockage d’énergie.

Lors des essais effectués, le matériau a atteint un potentiel de demi-onde de 0,79 volts et une pente de Tafel de 56,5 millivolts par décennie, deux paramètres utilisés pour évaluer le comportement des catalyseurs électrochimiques. Il a également favorisé une voie de réduction de l’oxygène à quatre électrons, un processus important pour améliorer l’efficacité des réactions qui ont lieu à l’intérieur de la batterie.

Les résultats ont également été prometteurs lors de l’intégration du catalyseur dans une cellule complète. La batterie a atteint une densité de puissance maximale de 54 millivatios par centimètre carré, contre 28 millivatios par centimètre carré utilisés comme référence pour les catalyseurs conventionnels basés sur le platine et le ruthénium. Cette comparaison indique une amélioration considérable dans les conditions expérimentales de l’étude, bien qu’elle ne signifie pas pour autant que le système soit prêt pour sa commercialisation.

La donnée la plus frappante est apparue lors des tests de charge et de décharge. La batterie au zinc-air a réussi à fonctionner pendant plus de 300 heures dans des essais en laboratoire, soumise à des cycles de courant constant. Selon les chercheurs, le nouveau catalyseur aide à stabiliser ce qu’on appelle l’interface triple, la zone où se rencontrent le catalyseur solide, l’électrolyte liquide et l’oxygène de l’air.

Stabiliser cette interface est essentiel pour que les réactions se déroulent de manière contrôlée. Si le catalyseur perd son activité ou se détériore, les performances de la batterie peuvent chuter et sa durée de vie en est affectée. Le nouveau matériau vise justement à éviter ces problèmes et à maintenir des conditions de fonctionnement plus stables sur de longues périodes.

Une alternative pour stocker l’énergie renouvelable

Les batteries au zinc-air présentent plusieurs avantages potentiels par rapport aux technologies basées sur le lithium. Le zinc, le fer et le carbone sont des matériaux relativement abondants, ce qui peut faciliter l’approvisionnement en matières premières et réduire les coûts. De plus, ces batteries peuvent utiliser des électrolytes aqueux non inflammables, une caractéristique qui diminue certains risques liés aux incendies causés par le surchauffage des batteries.

Les progrès de l’Université technique de Darmstadt abordent une partie importante de ce problème, mais il reste encore des questions à résoudre avant de penser à une mise en œuvre à grande échelle. Les plus importantes sont la durabilité à long terme, l’efficacité énergétique sur l’ensemble du cycle, le coût de fabrication et la capacité à maintenir les performances lorsque la taille des cellules augmente.

En raison de ses caractéristiques, le stockage stationnaire d’électricité est l’une des applications les plus intéressantes pour cette technologie. Les batteries au zinc-air pourraient aider à conserver les excédents de production des installations solaires et éoliennes afin de les utiliser lorsque la génération est insuffisante. Dans ce domaine, le coût des matériaux et la sécurité peuvent être tout aussi importants que la puissance maximale offerte par le système.

À plus long terme, on pourrait également étudier leur utilisation dans le transport lourd et les voitures électriques. Cependant, la densité de puissance modérée et les défis liés à la recharge en font encore un substitut prématuré aux batteries actuelles pour les automobiles. Pour y parvenir, il sera nécessaire de démontrer que les avantages observés en laboratoire se maintiennent dans des systèmes complets, soumis à des conditions d’utilisation réelles.

Cette recherche représente donc un pas prometteur vers des batteries au zinc-air plus durables et plus faciles à recharger. Les plus de 300 heures de fonctionnement obtenues lors des essais démontrent le potentiel du catalyseur, bien que le véritable progrès technologique ne surviendra qu’une fois que ces résultats pourront être transférés à des installations de plus grande taille et que leur viabilité économique pourra être prouvée.