La conception intelligente de la cathode ouvre les portes à la première batterie rechargeable au calcium
La première batterie rechargeable calcium-oxygène fonctionnelle a été développée par une équipe en Chine. Le prototype a été chargé et déchargé plus de 700 fois à température ambiante et l’équipe estime que les performances supérieures de la batterie proviennent d’un processus redox efficace à deux électrons, facilité par une combinaison spécifique de matériaux d’électrode et d’électrolyte. Dans une démonstration de validation de principe, les chercheurs ont incorporé la batterie calcium-oxygène dans des fibres tissées flexibles, créant ainsi un textile capable de recharger un téléphone portable.
Le calcium est le métal divalent le plus abondant sur Terre et ces batteries pourraient théoriquement offrir une alternative moins chère et plus dense en énergie aux batteries lithium-ion. Cependant, le rayon atomique plus grand du calcium et sa charge plus élevée créent de nombreux problèmes qui doivent encore être surmontés pour créer une batterie viable.
«Les batteries au calcium sont limitées par le faible rendement coulombique (efficacité de transfert de charge) de l’anode en calcium-métal et par le nombre très limité de matériaux actifs de cathode possibles», explique Alexandre Ponrouch, chercheur sur les batteries à l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone, en Espagne. . «Les batteries à base de calcium souffrent généralement d’un très mauvais transport de masse à l’intérieur des structures structurelles des cathodes inorganiques (utilisées dans les batteries lithium-ion) et les cathodes organiques sont actuellement les cathodes candidates les plus performantes, même si elles souffrent souvent d’une mauvaise réversibilité.»
La réversibilité se traduit directement par la recharge et constitue l’un des problèmes clés abordés par Huisheng Peng et son équipe collaborative dans leur nouvelle conception de batterie. Généralement, les batteries calcium-oxygène forment un produit de décharge d’oxyde de calcium au niveau de la cathode dans un processus redox à quatre électrons. Cet oxyde extrêmement stable se décompose lentement aux températures de fonctionnement ordinaires, piégeant les ions calcium et limitant considérablement la capacité de recharge de la batterie. Mais, en utilisant une combinaison soigneusement sélectionnée d’un électrolyte à base de liquide ionique et de feuilles de nanotubes de carbone alignées comme cathode à air, l’équipe de Peng a favorisé la formation de peroxyde de calcium plus réactif via une réaction à deux électrons. Lorsque la batterie se recharge, ce produit plus labile se décompose facilement, libérant les ions calcium et permettant à la batterie de fonctionner sur plus de 700 cycles.
Cherchant à comprendre le mécanisme de réduction se produisant à la cathode, l’équipe a effectué des calculs approfondis de densité de charge différentielle qui ont indiqué que la feuille de nanotubes favorise le transfert d’électrons avec le peroxyde de calcium par rapport à l’oxyde de calcium, conduisant ainsi au processus à deux électrons. L’analyse du matériau de la cathode lui-même a également révélé la formation d’une interphase électrolytique solide conductrice de fluorure de calcium (dérivée de l’électrolyte contenant du fluorure) qui favorise en outre le transport efficace des ions calcium à travers la batterie.
Avec ce système fonctionnel en main, l’équipe de Peng s’est ensuite concentrée sur l’adaptation de la batterie pour l’électronique portable. Ils ont recouvert une fibre centrale de nanotubes de calcium, l’entourant d’un électrolyte gel à base de liquide ionique et enfermant l’ensemble de la batterie dans une gaine cathodique de nanotubes de carbone pour créer une batterie flexible semblable à un filament. Ces fibres de batterie étaient tissées pour former des tissus respirants et les textiles finis pouvaient ensuite alimenter un téléphone portable.
Ces batteries sont encore au stade de validation de principe et sont encore loin d’être commercialisées, mais l’équipe espère que ces travaux ouvriront de nouvelles possibilités pour une meilleure conception de cathodes. Pour Ponrouch, il s’agit d’un début encourageant, mais il reste prudent, suggérant qu’il faudra peut-être des années, voire des décennies, avant que cette technologie soit prête à être utilisée à grande échelle.
«Il existe une hystérésis de tension (une différence de potentiel entre la charge et la décharge) d’environ 2 V, ce qui implique une très faible efficacité énergétique de la technologie actuelle (c’est-à-dire qu’il faut dépenser beaucoup plus d’énergie pour charger la batterie par rapport à la quantité d’énergie qu’elle consomme). Peut livrer). C’est le premier aspect qu’il faudra aborder», dit-il. «Cependant, ce sont des valeurs courantes pour les premiers stades de développement de batteries à base de cathodes à oxygène.» Des améliorations significatives dans la réduction de cette hystérésis de tension ont déjà été obtenues pour les cellules au lithium et il sera intéressant de voir à quelle vitesse et dans quelle mesure les batteries calcium-oxygène peuvent rattraper le lithium en bénéficiant du savoir-faire actuel sur ces chimies de batteries difficiles.
