Batteries nickel-zinc : La cathode à air améliore l’efficacité

Les batteries nickel-zinc (Ni-Zn) sont prometteuses en raison de leur tension de sortie élevée, de leur énergie spécifique théorique élevée, de leur grande sécurité et de leur faible coût. Toutefois, les batteries alcalines rechargeables au Ni-Zn posent des problèmes, car la réaction cathodique de dégagement d’oxygène entraîne une faible efficacité énergétique et une mauvaise stabilité.

Récemment, un groupe de recherche dirigé par le professeur YANG Weishen et le docteur ZHU Kaiyue de l’Institut de physique chimique de Dalian (DICP) de l’Académie chinoise des sciences a proposé de construire une cathode à air utilisant la réaction latérale d’évolution de l’oxygène (OER) dans les batteries Ni-Zn en couplant des électrocatalyseurs pour les réactions de réduction de l’oxygène (ORR) dans la cathode.

Cette nouvelle batterie (Ni-ZnAB) présente une durée de vie très longue et un rendement énergétique très élevé (85 %), supérieur à celui des batteries Ni-Zn et Zn-air.

Cette étude a été publiée dans Angewandte Chemie International Edition le 27 mars.

L’OER inévitable dans le processus de charge du Ni-Zn réduit l’efficacité énergétique et l’efficacité coulombienne, ce qui entraîne de faibles capacités de stockage et de libération de l’énergie. Bien que l’OER dans la cathode puisse être partiellement supprimée en contrôlant la tension de charge (mais au détriment de la capacité) et en utilisant des additifs d’électrolyte, ces stratégies sont malheureusement insuffisantes pour résoudre complètement le problème de l’OER dans le système Ni-Zn.

Dans ce travail, les chercheurs ont proposé de tirer parti de l’OER dans les batteries Ni-Zn en couplant des électrocatalyseurs pour l’ORR dans la cathode. Cette approche permettrait d’utiliser l’oxygène généré pendant la charge par le biais de l’OER pendant la décharge, de manière similaire au mécanisme d’air.

Dans ces batteries Ni-Zn avec cathodes à air (appelées batteries Ni-ZnAB), l’OER dans la cathode n’était plus une réaction secondaire indésirable pendant le processus de charge. En outre, la perte d’efficacité coulombienne due à l’hydroxyde de nickel pouvait être compensée par l’oxydoréduction. Par rapport aux batteries Ni-Zn conventionnelles, les nouvelles batteries Ni-ZnAB présentent une stabilité de cyclage et un rendement énergétique nettement améliorés.

Grâce aux effets stabilisateurs sur l’électrolyte et l’électrode, la batterie Ni-ZnAB de type poche a présenté une excellente performance de cyclage de 100 heures avec une capacité de 45 mAh et une efficacité énergétique moyenne de 85,1 %, ce qui indique le potentiel de la batterie Ni-ZnAB pour des applications pratiques. Afin d’améliorer encore la stabilité du cycle, une batterie Ni-ZnAB de type moule avec un électrolyte riche a été conçue, ce qui a permis d’obtenir une stabilité ultra-élevée de 500 cycles avec un rendement énergétique supérieur à 80 %, ce qui représente une amélioration significative par rapport au Ni-Zn.

« Nos résultats soulignent l’importance d’incorporer une cathode à air dans les cellules Ni-Zn pour améliorer leur stabilité et leur efficacité énergétique, et montrent le potentiel des batteries Ni-ZnAB en tant que guide précieux pour la conception de batteries Ni-Zn hautement stables« , a déclaré le professeur YANG.