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Batterie zinc-ion

Une batterie zinc-ion ou batterie Zn-ion (abrégé ZIB) utilise des ions zinc (Zn2+) comme porteurs de charge[1]. Plus précisément, les ZIB utilisent du Zn comme anode, des matériaux d'intercalation de Zn comme cathode et un électrolyte contenant du Zn.

Il en existe deux grandes formes :

  • la batterie Zn-ion à électrolytes à base organique ;
  • la batterie Zn-ion à électrolytes en solution aqueuse, qui offre une sécurité très élevé et laisse espérer des coûts finaux plus bas.

En 2022, ces batteries semblent avoir atteint un niveau de maturité permettant leur commercialisation dans les systèmes de stockage stationnaires de l'électricité issues d'énergies renouvelables (éolien et solaire photovoltaïque en particulier) dans les smartgrids et autres réseaux électriques.

Sémantique modifier

L'expression « batterie zinc-ion » est plutôt réservée aux batteries rechargeables (secondaires), parfois aussi dites « batteries rechargeables au zinc métal  » (ou RZMB pour « rechargeable zinc metal batteries »)[2]. Les ZIB diffèrent des piles non rechargeables (primaires) à base de zinc (telles que certaines piles alcalines ou zinc-carbone).

Histoire modifier

En 2011, le groupe de Feiyu Kang montre pour la première fois qu'une insertion réversible d'ions Zn dans la structure tunnel d'un hôte en dioxyde de manganèse de type alpha (MnO2) est possible en utilisant le zinc comme cathode dans une batterie Zn-ion[3],[4].

L'université de Waterloo (Canada) a breveté la technologie[Laquelle ?] des batteries zinc-ion développée dans ses laboratoires[5].

En 2020, Eos Energy Storage produit 1,5 GWh de batteries au zinc fabriquées aux États-Unis pour être utilisées pour le stockage des énergies intermittentes dans les réseaux électriques du Texas et de la Californie[6],[7].

Recherche modifier

La recherche est intense depuis les années 2010, marquée par une croissance exponentielle de la littérature scientifique sur le sujet[8]

Motivation et enjeux modifier

Cette batterie semble présenter plusieurs intérêts majeurs de soutenabilité :

  • alors que le lithium est un métal relativement rare, polluant, source de tensions géopolitiques, une électrode négative en zinc présente l'avantage d'une capacité volumétrique théorique bien plus élevée et le zinc est naturellement abondant et mieux réparti dans le monde. Le coût de fabrication en série de ZIB devrait être bas, car le zinc métallique est très disponible sur la planète et, si son raffinage donne du cadmium toxique comme sous-produit, le zinc-métal a une bonne recyclabilité ;
  • le zinc a une meilleure compatibilité avec les électrolytes aqueux que la plupart des autres métaux testés dans les batteries ;
  • contrairement aux batteries lithium-ion, les batteries Zn-ion aqueuses ne sont que légèrement acides, fonctionnant dans une fourchette de pH comprise entre 4 et 5,5[9],[10],[11] ;
  • leur sécurité intrinsèque est élevée ; comparé à celui d'autres types de batteries, leur risque est faible en matière de toxicité, pollution, incendies, etc., notamment en cas de rupture de l'enveloppe de la batterie, d'incendie ;
  • leur puissance spécifique est élevée ;
  • leur réversibilité est élevée.

Pour ces raisons, les ZIB semblent être d’excellentes candidates pour les applications de réseau électrique[9],[12],[13].

Inconvénients :

  • moindre efficacité coulombienne (charge) que celle des LIB de pointe[2] ;
  • surpotentiels plus importants pour le placage et le striping[Quoi ?] sur l'électrode négative[2] ;
  • risque de défaillance dendritique[2],[14].

Chimie modifier

Les électrolytes aqueux aussi bien que non aqueux sont étudiés comme candidats pour les ZIB, notamment des sels de zinc utilisant les anions TFSI ou triflate (pour les électrolytes aqueux et non aqueux), du sulfate de zinc et des électrolytes aqueux alcalins à base d'KOH[2],[14]

Jusqu'à présent, plusieurs matériaux de cathode ont été explorés pour les ZIB, notamment le MnO2 de types gamma et delta, l'hexacyanoferrate de cuivre, l'oxyde de bismuth, les sulfures en couches et les analogues du bleu de Prusse[2],[15],[16],[17]. Par exemple, en 2017, les chercheurs ont signalé un prototype de batterie zinc-ion qui a une réversibilité, un taux et une capacité élevés sans formation de dendrites[18] ; ce dispositif utilisait une anode en zinc métallique, une cathode en oxyde de vanadium (Zn0,25 V2O5⋅nH2O) et un électrolyte aqueux, matériaux tous non toxiques ou peu toxiques (par rapport aux métaux ou métalloïdes habituellement utilisés dans les piles et batteries). Après 1 000 cycles, elle conservait 80 % de sa capacité. La cellule a atteint une capacité allant jusqu'à 300 mAh g−1 et une densité d'énergie de ∼450 Wh l−1.

Notes et références modifier

  1. ↑ (en-US) « A cheap, long-lasting, sustainable battery for grid energy storage », KurzweilAI, (consulté le ).
  2. ↑ a b c d e et f (en) Ma, Schroeder, Borodin et Pollard, « Realizing high zinc reversibility in rechargeable batteries », Nature Energy, vol. 5, no 10,‎ , p. 743–749 (ISSN 2058-7546, DOI 10.1038/s41560-020-0674-x, Bibcode 2020NatEn...5..743M, lire en ligne).
  3. ↑ Brevet américain « Rechargeable zinc ion battery », déposé par Feiyu Kang, publié le 9 février 2012, no 20120034515.
  4. ↑ (en) Xu, Li, Du et Kang, « Energetic Zinc Ion Chemistry: The Rechargeable Zinc Ion Battery », Angewandte Chemie International Edition, vol. 51, no 4,‎ , p. 933–935 (ISSN 1521-3773, PMID 22170816, DOI 10.1002/anie.201106307).
  5. ↑ Kundu, Vajargah, Wan et Adams, « Aqueous vs. nonaqueous Zn-ion batteries: consequences of the desolvation penalty at the interface », Energy & Environmental Science, vol. 11, no 4,‎ , p. 881–892 (DOI 10.1039/C8EE00378E, lire en ligne)
  6. ↑ « Home », Eos Energy Enterprises
  7. ↑ « 1.5GWh of 'Made in America' zinc batteries joining Texas, California grids from Eos Energy Storage », Energy Storage News, .
  8. ↑ (en) Giorgia Zampardi et Fabio La Mantia, « voir figure 1 in "Open challenges and good experimental practices in the research field of aqueous Zn-ion batteries" », Nature Communications, vol. 13, no 1,‎ , p. 687 (ISSN 2041-1723, DOI 10.1038/s41467-022-28381-x, lire en ligne, consulté le ).
  9. ↑ a et b (en) Giorgia Zampardi et Fabio La Mantia, « Prussian blue analogues as aqueous Zn-ion batteries electrodes: Current challenges and future perspectives », Current Opinion in Electrochemistry, vol. 21,‎ , p. 84–92 (ISSN 2451-9103, DOI 10.1016/j.coelec.2020.01.014).
  10. ↑ (en) Ghoncheh Kasiri, Jens Glenneberg, Robert Kun et Giorgia Zampardi, « Microstructural Changes of Prussian Blue Derivatives during Cycling in Zinc‐Containing Electrolytes », ChemElectroChem, vol. 7, no 15,‎ , p. 3301–3310 (ISSN 2196-0216 et 2196-0216, DOI 10.1002/celc.202000886).
  11. ↑ (en) Joohyun Lim, Ghoncheh Kasiri, Rajib Sahu et Kevin Schweinar, « Irreversible Structural Changes of Copper Hexacyanoferrate Used as a Cathode in Zn‐Ion Batteries », Chemistry – A European Journal, vol. 26, no 22,‎ , p. 4917–4922 (ISSN 0947-6539 et 1521-3765, DOI 10.1002/chem.201905384).
  12. ↑ (en) Giorgia Zampardi et Richard G. Compton, « Fast electrodeposition of zinc onto single zinc nanoparticles », Journal of Solid State Electrochemistry, vol. 24, nos 11-12,‎ , p. 2695–2702 (ISSN 1432-8488 et 1433-0768, DOI 10.1007/s10008-020-04539-9).
  13. ↑ (en) Jaeho Shin, Jimin Lee, Youngbin Park et Jang Wook Choi, « Aqueous zinc ion batteries: focus on zinc metal anodes », Chemical Science, vol. 11, no 8,‎ , p. 2028–2044 (ISSN 2041-6520 et 2041-6539, DOI 10.1039/d0sc00022a).
  14. ↑ a et b (en) Lin Ma, Marshall A. Schroeder, Travis P. Pollard et Oleg Borodin, « Critical Factors Dictating Reversibility of the Zinc Metal Anode », ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS, vol. 3, no 4,‎ , p. 516–521 (ISSN 2575-0356 et 2575-0356, DOI 10.1002/eem2.12077).
  15. ↑ (en) Alfaruqi, Mathew, Gim et Kim, « Electrochemically Induced Structural Transformation in a γ-MnO2 Cathode of a High Capacity Zinc-Ion Battery System », Chemistry of Materials, vol. 27, no 10,‎ , p. 3609–3620 (ISSN 0897-4756, DOI 10.1021/cm504717p).
  16. ↑ (en) Alfaruqi, Gim, Kim et Song, « A layered δ-MnO 2 nanoflake cathode with high zinc-storage capacities for eco-friendly battery applications », Electrochemistry Communications, vol. 60,‎ , p. 121–125 (DOI 10.1016/j.elecom.2015.08.019).
  17. ↑ (en) Trócoli et La Mantia, « An Aqueous Zinc-Ion Battery Based on Copper Hexacyanoferrate », ChemSusChem, vol. 8, no 3,‎ , p. 481–485 (ISSN 1864-564X, PMID 25510850, DOI 10.1002/cssc.201403143).
  18. ↑ (en) Kundu, Adams, Duffort et Vajargah, « A high-capacity and long-life aqueous rechargeable zinc battery using a metal oxide intercalation cathode », Nature Energy, vol. 1, no 10,‎ , p. 16119 (DOI 10.1038/nenergy.2016.119, Bibcode 2016NatEn...116119K).

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