Des chercheurs japonais ont développé une batterie à air rechargeable entièrement à l’état solide (SSAB) utilisant des molécules organiques actives redox pour l’électrode négative et un polymère conducteur de protons comme électrolyte solide, présentant des performances et une durabilité améliorées. Cette approche innovante a des implications potentielles pour améliorer la durée de vie des batteries dans l’électronique et progresser vers une société sans carbone.
Dans cette batterie unique en son genre, une électrode négative à base de benzoquinone est utilisée avec un électrolyte polymère Nafion solide.
Les métaux servent traditionnellement de matériaux actifs pour les électrodes négatives des batteries. Cependant, il y a eu une évolution vers l’utilisation de molécules organiques redox-actives comme les composés à base de quinone et d’amine comme électrodes négatives dans les batteries métal-air rechargeables, qui comportent des électrodes positives réduisant l’oxygène.
Ici, les protons et les ions hydroxyde participent aux réactions redox. De telles batteries présentent des performances élevées, proches de la capacité maximale théoriquement possible. De plus, l’utilisation de molécules organiques redox-actives dans les batteries à air rechargeables surmonte les problèmes associés aux métaux, y compris la formation de structures appelées « dendrites », qui ont un impact sur les performances de la batterie et ont un impact environnemental négatif.
Les chercheurs ont développé une batterie à air rechargeable entièrement à l’état solide avec une électrode négative organique à base de dihydroxy-benzoquinone et un électrolyte polymère Nafion. Crédit : Kenji Miyatake de l’Université Waseda
Cependant, ces batteries utilisent des électrolytes liquides, tout comme les batteries à base de métal, qui posent des problèmes de sécurité majeurs tels qu’une résistance électrique élevée, des effets de lixiviation et une inflammabilité.
Maintenant, dans une nouvelle étude récemment publiée dans Angewandte Chemie International Edition, un groupe de chercheurs japonais a développé une batterie à air rechargeable à semi-conducteurs (SSAB) et a étudié sa capacité et sa durabilité. L’étude a été dirigée par le professeur Kenji Miyatake de l’Université Waseda et de l’Université de Yamanashi, et co-écrite par le professeur Kenichi Oyaizu de l’Université Waseda.
Les chercheurs ont choisi un produit chimique appelé 2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone (DHBQ) et son polymère poly(2,5-dihydroxy-1,4-benzoquinone-3,6-méthylène) (PDBM) comme matières actives pour l’électrode négative en raison de leurs réactions redox stables et réversibles dans des conditions acides. De plus, ils ont utilisé un polymère conducteur de protons appelé Nafion comme électrolyte solide, remplaçant ainsi les électrolytes liquides conventionnels. « A ma connaissance, aucune batterie à air basée sur des électrodes organiques et des électrolytes polymères solides n’a encore été développée », déclare Miyatake.
Une fois le SSAB en place, les chercheurs ont évalué expérimentalement ses performances de charge-décharge, ses caractéristiques de débit et sa cyclabilité. Ils ont constaté que, contrairement aux batteries à air typiques qui utilisent une électrode négative métallique et un électrolyte liquide organique, le SSAB ne se détériorait pas en présence d’eau et d’oxygène. De plus, le remplacement de la molécule redox-active DHBQ par son homologue polymère PDBM a formé une meilleure électrode négative. Alors que la capacité de décharge par gramme du SSAB-DHBQ était de 29,7 mAh, la valeur correspondante du SSAB-PDBM était de 176,1 mAh, à une densité de courant constante de 1 mAcm-2.
La batterie, qui utilise une électrode négative à base de dihydroxy-benzoquinone polymère et un électrolyte solide à base de Nafion, présente une efficacité coulombienne et une capacité de décharge élevées. Crédit : Kenji Miyatake de l’Université Waseda
Les chercheurs ont également découvert que l’efficacité coulombique du SSAB-PDBM était de 84 % à un taux de 4 C, qui diminuait progressivement jusqu’à 66 % à un taux de 101 C. Alors que la capacité de décharge du SSAB-PDBM a été réduite à 44% après 30 cycles, en augmentant la teneur en polymère conducteur de protons de l’électrode négative, les chercheurs ont pu l’améliorer considérablement à 78%. Les images au microscope électronique ont confirmé que l’ajout de Nafion améliorait les performances et la durabilité de l’électrode à base de PDBM.
Cette étude démontre le fonctionnement réussi d’un SSAB comprenant des molécules organiques actives redox comme électrode négative, un polymère conducteur de protons comme électrolyte solide et une électrode positive de type diffusion réduisant l’oxygène. Les chercheurs espèrent que cela ouvrira la voie à de nouvelles avancées. « Cette technologie peut prolonger la durée de vie de la batterie de petits gadgets électroniques tels que les smartphones et éventuellement contribuer à la réalisation d’une société sans carbone », conclut Miyatake.
L’étude a été financée par le ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie (MEXT), Japon, et les fonds de promotion JKA d’AUTORACE.
