Progrès dans la technologie des batteries alternatives

Le monde a besoin de batteries bon marché et performantes. Elles doivent stocker l'électricité produite de manière durable afin qu'elle reste à notre disposition même lorsqu'il n'y a pas de vent et que le soleil ne brille pas. Les batteries au lithium-ion qui alimentent nos smartphones et nos voitures électriques sont assez chères, car il y a une ruée mondiale sur la matière première qu'est le lithium. En outre, ces batteries sont facilement inflammables.

Les piles au zinc à base d'eau constituent une alternative prometteuse aux piles au lithium-ion. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'ETH Zurich a élaboré une stratégie qui fait avancer de manière décisive le développement de telles piles au zinc, les rendant plus performantes, plus sûres et plus respectueuses de l'environnement.

Le défi de la longévité

Les piles au zinc présentent quelques avantages : Le zinc est abondant, bon marché et facile à recycler, car il existe une infrastructure de recyclage du zinc bien développée dans le monde entier. En outre, les piles au zinc permettent de stocker beaucoup d'électricité. Et surtout, les piles au zinc n'ont pas nécessairement besoin de solvants organiques, qui sont facilement inflammables, comme liquide électrolytique. Au lieu de cela, il est possible d'utiliser des liquides électrolytiques à base d'eau.

Si seulement il n'y avait pas quelques problèmes auxquels les ingénieurs sont confrontés lors du développement de ces piles : Lorsque les piles au zinc sont chargées à haute tension, le liquide électrolytique aqueux réagit sur l'une des électrodes pour former de l'hydrogène gazeux. Le liquide électrolytique se rétracte et les performances de la pile diminuent. Cette réaction entraîne également une surpression dans la batterie, ce qui peut être dangereux. Les dépôts de zinc en forme d'aiguille, appelés dendrites, qui peuvent se former dans la batterie lors de la recharge, constituent un autre problème. Dans le pire des cas, ces dépôts peuvent même provoquer un court-circuit et rendre la batterie inutilisable.

Les sels rendent les piles toxiques

Ces dernières années, les ingénieurs ont suivi la stratégie consistant à enrichir fortement le liquide électrolytique aqueux avec des sels, afin de maintenir la part d'eau aussi faible que possible. Mais cela a aussi des inconvénients : Le liquide électrolytique devient alors visqueux et les processus de charge et de décharge sont fortement ralentis. De plus, de nombreux sels utilisés contiennent du fluor, ce qui les rend toxiques et nocifs pour l'environnement.

Maria Lukatskaya, professeure en systèmes énergétiques électrochimiques à l'ETH Zurich, s'est mise systématiquement à la recherche de la concentration optimale de sel pour les batteries zinc-ion à base d'eau, en collaboration avec des collègues de plusieurs institutions de recherche des États-Unis et de Suisse. Grâce à des expériences et des simulations par ordinateur, les chercheurs ont pu démontrer que la concentration en sel était optimale : La concentration optimale de sel n'est pas la plus élevée possible, comme on le pensait jusqu'à présent, mais une concentration relativement faible : cinq à dix molécules d'eau par ion de sel chargé positivement.

Longuement performant et rapidement rechargeable

Pour leurs optimisations, les scientifiques n'ont pas utilisé de sels nocifs pour l'environnement, mais ont travaillé avec des sels d'acide acétique (acétates) respectueux de l'environnement. "Avec une concentration optimale d'acétates, nous avons pu minimiser la perte d'électrolyte et éviter la formation de dendrites aussi bien que d'autres scientifiques l'avaient fait auparavant avec des concentrations élevées de sels toxiques", explique Dario Gomez Vazquez. Il est doctorant dans le groupe de Lukatskaya et premier auteur de l'étude. "En outre, notre approche permet de charger et de décharger les batteries beaucoup plus rapidement".

Jusqu'à présent, les chercheurs de l'ETH ont testé leur nouvelle stratégie de batterie à une échelle de laboratoire relativement petite. La prochaine étape consistera à passer à l'échelle supérieure et à voir s'il est possible de construire de grandes batteries avec cette approche. De telles batteries devraient un jour être utilisées par exemple comme stockage dans le réseau électrique pour compenser les fluctuations, ou dans la cave des maisons individuelles pour disposer le soir de l'électricité solaire produite pendant la journée.

Avant que les piles au zinc ne soient prêtes à être commercialisées, il reste encore quelques défis à surmonter, comme l'explique la professeure de l'ETH Lukatskaya : Les piles se composent de deux électrodes - l'anode et la cathode - et du liquide électrolytique entre les deux. "Nous avons pu montrer qu'en optimisant le liquide électrolytique, on pouvait charger l'anode de zinc plus efficacement", explique-t-elle. "Mais à l'avenir, il faudra aussi optimiser les matériaux de la cathode pour obtenir des piles au zinc durables et efficaces".