Vers de vraies batteries zinc-air rechargeables ?

Aymeric Pontier
Spécialiste environnement
06 janvier 2021 à 17h10
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Une équipe internationale de chercheurs (Chine, Allemagne, USA) a mis au point une méthode pour rendre les piles au zinc rechargeables. Dans leur article publié sur Science, ils disent avoir développé un processus beaucoup plus fonctionnel et réversible que les conceptions actuelles, en utilisant un électrolyte non alcalin.

Les piles alcalines que nous utilisons tous les jours pour alimenter de nombreux jouets et appareils électroniques sont fabriquées à partir de zinc, un matériau bon marché utilisé comme support de charge sur une des deux électrodes. Une conception qui permet une production compacte, légère et surtout de série.

Un nouvel électrolyte qui change la donne

Leur seul inconvénient est qu’elles sont jetables, et se retrouvent souvent à la poubelle une fois épuisées. Jusqu'à présent, toutes les tentatives pour les rendre rechargeables ont échoué. Les expérimentations faisant preuve d’une grande instabilité chimique, à cause des réactions liées à l’utilisation de l’électrolyte alcalin empêchant toute réversibilité. 

D'ordinaire, le CO2 de l'atmosphère réagit avec l'électrolyte pour former des carbonates qui bloquent l'électrode interagissant avec l'air. Et le zinc ne se redépose pas correctement sur l'autre électrode dont il provient, créant des structures épineuses appelées dendrites qui peuvent court-circuiter la batterie. Pour les chercheurs, le meilleur moyen de rendre les piles au zinc rechargeables serait de se débarrasser de l'électrolyte alcalin qui a donné leur nom aux fameuses piles.

Ainsi, ils l’ont remplacé par un électrolyte aqueux innovant non-alcalin et hydrophobe : le sel de trifluorométhanesulfonate de zinc. Les résultats sont radicalement différents. Plutôt que de mourir après quelques cycles, les scientifiques ont réussi à faire fonctionner leur batterie zinc-air pendant une longue durée. La formation de dendrites n'était pas un problème la plupart du temps, et la capacité en poids de la batterie était presque le double de celle de certaines batteries au lithium.

Prometteur, mais des améliorations à apporter

« Notre électrolyte innovant et non alcalin introduit une chimie réversible de peroxyde de zinc (ZnO2) / O2 jusque-là inconnue dans la batterie zinc-air », explique le docteur Wei Sun du MEET Battery Research Center de l'Université de Münster. Ce qui apporte des avantages décisifs : « L'anode de zinc est utilisée plus efficacement avec une stabilité chimique et une réversibilité électrochimique plus élevées. Les batteries zinc-air qui sont ainsi construites fonctionnent de manière stable pendant 320 cycles et 1 600 heures sous atmosphère d'air ambiant ».

Toutefois, les chercheurs reconnaissent des problèmes à surmonter, comme l’évaporation de l’eau avec le temps. Par ailleurs, le temps de charge est un écueil. Dans leur expérience, un cycle charge/décharge prenait environ 20 heures. Trop long. Ils réfléchissent à plusieurs options pour surmonter ces difficultés comme l’inclusion d’un catalyseur pour favoriser la production de peroxyde et réduire ce délai. 

S’ils y parviennent, ils auront conçu une batterie zinc-air performante, pas chère, et écologique. Soit une technologie attractive pour le stockage de l’énergie, et une concurrente sérieuse aux batteries au lithium en sachant que le zinc coûte 4 fois moins cher que le carbonate de lithium. De plus, les chercheurs pensent que le même type de chimie pourrait fonctionner avec d’autres métaux bon marché comme l’aluminium et le magnésium.

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