Des batteries zinc-air

Wei Sun, Fei Wang, Bao Zhang, et alii, Science (via) :

Rechargeable alkaline zinc-air batteries promise high energy density and safety but suffer from the sluggish 4 electron (e⁻)/oxygen (O₂) chemistry that requires participation of water and from the electrochemical irreversibility originating from parasitic reactions caused by caustic electrolytes and atmospheric carbon dioxide. Here, we report a zinc-O₂/zinc peroxide (ZnO₂) chemistry that proceeds through a 2e−/O₂ process in nonalkaline aqueous electrolytes, which enables highly reversible redox reactions in zinc-air batteries. This ZnO₂ chemistry was made possible by a water-poor and zinc ion (Zn²⁺)–rich inner Helmholtz layer on the air cathode caused by the hydrophobic trifluoromethanesulfonate anions. The nonalkaline zinc-air battery thus constructed not only tolerates stable operations in ambient air but also exhibits substantially better reversibility than its alkaline counterpart.

Les piles zinc-air, qui reposent sur la réaction d’oxydation du zinc en contact avec l’oxygène atmosphérique¹ par l’intermédiaire des anions hydroxyde de l’électrolyte alcalin, existent depuis plus d’un siècle. Elles présentent une forte densité énergétique pour un cout réduit, mais ne peuvent pas être rechargées. Le zinc forme des dendrites, qui peuvent provoquer des courts-circuits, et l’air contient aussi du dioxyde de carbone, qui réagit avec les mêmes anions hydroxyde pour former des dépôts de carbonates.

En utilisant un électrolyte hydrophobe, les chercheurs changent fondamentalement la nature des piles zinc-air. Au lieu de former de l’oxyde de zinc par l’intermédiaire des anions hydroxyde, leur pile forme directement du peroxyde de zinc, sans sous-produits aux effets délétères. En utilisant une poudre plutôt qu’une feuille de zinc, jusqu’à 94 % du zinc est utilisé dans la réaction. Et comme l’opération est réversible, la pile devient une batterie.

Puisque l’opération repose toujours sur le contact avec l’air, et que l’électrolyte reste liquide, il s’évapore progressivement. À long terme, des dendrites finissent par se former et condamnent l’anode. Surtout, le cycle de charge/décharge prend plus de vingt heures. Mais qui sait, ce genre de formulations pourrait bien éviter l’usage de métaux plus couteux pour le stockage domestique ou industriel.