Les batteries à base d’eau peuvent être une alternative au lithium

Les batteries à base d’eau sans métal sont uniques et complètement différentes de celles qui utilisent le cobalt sous sa forme lithium-ion. L'accent mis par l'équipe de recherche sur ce type de batterie découle du désir d'avoir un meilleur contrôle sur la chaîne d'approvisionnement nationale, car le cobalt et le lithium proviennent généralement d'autres pays. De plus, une chimie plus sûre des batteries pourrait prévenir d’éventuels incendies.

Professeur de génie chimique dr. Jodie Lutkenhaus et professeur adjoint de chimie Dr. Daniel Tabor a publié ses découvertes sur les batteries sans lithium dans la revue Nature Materials.

"Il n'y aurait plus d'incendies de batteries car tout est à base d'eau", a déclaré Lutkenhaus. "Si la pénurie prévue de matériaux se produit à l'avenir, le prix des batteries lithium-ion augmentera fortement. Si nous disposons d’une batterie alternative, nous pouvons nous tourner vers cette chimie où l’approvisionnement est beaucoup plus stable car nous pouvons les fabriquer aux États-Unis et les matériaux pour les fabriquer sont disponibles ici.

Lutkenhaus a également déclaré que les batteries à eau sont constituées d'une cathode, d'un électrolyte et d'une anode. Les cathodes et les anodes sont des polymères capables de stocker de l'énergie et l'électrolyte est de l'eau mélangée à des sels organiques. L'électrolyte est crucial pour la conduction ionique et le stockage d'énergie grâce à l'interaction avec l'électrode.

"Si l'électrode gonfle trop au cours de ses cycles, elle ne peut pas très bien conduire les électrons et vous perdez ses performances globales", a-t-elle déclaré. "Je pense qu'il existe une différence de 1 000 % dans la capacité de stockage d'énergie en fonction du choix de l'électrolyte en raison des effets de gonflement."

Selon leur article, les polymères radicalaires (électrodes) rédox-actifs et non conjugués sont des candidats prometteurs pour les batteries à eau sans métal en raison de la tension de décharge élevée des polymères et de leur cinétique rédox rapide. La réaction est complexe et difficile à résoudre en raison du transfert simultané d’électrons, d’ions et de molécules d’eau.

Le groupe de recherche de Tabor a complété les efforts expérimentaux par des simulations et des analyses informatiques. Les simulations ont fourni un aperçu de l’image moléculaire microscopique de la structure et de la dynamique.

« La théorie et l’expérience travaillent souvent en étroite collaboration pour comprendre ces matériaux. "L'une des nouvelles choses que nous faisons informatiquement dans cet article est de charger l'électrode dans plusieurs états de charge et de voir comment l'environnement réagit à cette charge", a déclaré Tabor.

Les chercheurs ont observé macroscopiquement si la cathode de la batterie fonctionnait mieux en présence de certains types de sel en mesurant exactement la quantité d'eau et de sel entrée dans la batterie pendant le fonctionnement.

"Nous avons fait cela pour expliquer ce que nous avons observé expérimentalement", a-t-il déclaré. « Nous souhaitons désormais étendre nos simulations aux futurs systèmes. Nous devions confirmer notre théorie sur les forces qui conduisent à une telle injection d’eau et de solvant.

« Avec cette nouvelle technologie de stockage d’énergie, nous nous rapprochons encore davantage des batteries sans lithium. "Au niveau moléculaire, nous avons une meilleure idée de la raison pour laquelle certaines électrodes de batterie fonctionnent mieux que d'autres, et cela nous donne des preuves solides et des conseils sur la manière d'avancer dans la conception des matériaux", a déclaré Tabor.