Des chercheurs de l'Université du Hunan, de l'University College de Londres et de l'Université d'Oxford ont développé un nouveau catalyseur métal-azote-carbone pour les batteries zinc-air (ZAB) qui surpasse les catalyseurs à métaux nobles, améliorant ainsi l'efficacité et la praticité de la technologie ZAB.
Les batteries zinc-air fonctionnent en oxydant le zinc avec l’oxygène de l’air. Des recherches récentes ont démontré qu'un catalyseur incorporant une combinaison de différents atomes de métaux non nobles pourrait augmenter le taux de réactions de décharge et les performances de la batterie.
En gardant ces preuves à l’esprit, les chercheurs ont généré un catalyseur métal-azote-carbone non noble à partir de fer, de cobalt et de nickel pour améliorer le chargement, la décharge et la rentabilité des ZAB. Il est important de noter que l'équipe a également optimisé un film flexible à points de carbone/alcool polyvinylique (CD/PVA) en tant qu'électrolyte ZAB à l'état solide, ou composant de batterie qui transfère les atomes chargés, créant ainsi une batterie haute performance flexible et stable qui pourrait potentiellement être utilisée dans appareils portables.
« Les batteries métal-air rechargeables sont des sources d'énergie prometteuses, en particulier les batteries zinc-air (ZAB) qui offrent des densités d'énergie théoriques élevées (1 084 Wh kg−1), un respect de l'environnement et une rentabilité », a déclaré le chercheur en chef Huanxin Li dans un communiqué de presse. déclaration. « De plus, les ZAB rechargeables sont non seulement sûrs et stables, mais également portables et portables. Des recherches importantes se concentrent actuellement sur les ZAB rechargeables et flexibles.
Comment fonctionnent les ZAB
Les batteries zinc-air se déchargent et se chargent via deux réactions : la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et la réaction de dégagement d'oxygène (OER), respectivement. Ces réactions sont notoirement lentes et nécessitent des catalyseurs qui accélèrent la réaction électrochimique, ou des électrocatalyseurs. Bien que les métaux nobles soient capables d'accélérer l'ORR et l'OER, des problèmes de coût, de performances sous-optimales et l'exigence de deux métaux nobles différents ont limité l'aspect pratique global de la technologie ZAB.
«Le développement d'électrocatalyseurs bifonctionnels non nobles, peu coûteux et efficaces, est crucial pour la commercialisation des ZAB rechargeables. Parmi les divers catalyseurs non nobles, les nanomatériaux métal-azote-carbone (MNC) ont attiré une attention particulière en raison de leur faible prix, de leurs réserves abondantes, de leur excellente activité électrochimique et de leur grande stabilité », a déclaré Li.
Créer un électrocatalyseur composé de trois atomes métalliques différents n’est cependant pas une mince affaire, en raison des différentes forces d’interaction qui se produisent avec chaque atome métallique. Pour résoudre ce problème, l’équipe a utilisé des structures imidazolates zéolitiques (ZIF), des structures carbone-azote qui entourent et organisent chacun des trois atomes métalliques pour ancrer uniformément les atomes catalytiques sur le carbone poreux à haute température.
Les scientifiques ont ensuite confirmé la distribution des atomes de Fe, Co et Ni via la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie, la microscopie électronique à transmission par balayage à champ sombre annulaire à grand angle corrigée des aberrations sphériques et la spectroscopie de perte d'énergie électronique.
Métaux communs 1, métaux nobles 0
Dans l’ensemble, l’électrocatalyseur ternaire Fe-Co-Ni a surpassé les électrocatalyseurs bimétalliques (FeNi, FeCo et CoNi) ainsi que le platine et le ruthénium, deux électrocatalyseurs à métaux nobles, dans les réactions de réduction et d’évolution de l’oxygène.
L’équipe estime que les trois atomes métalliques de l’électrocatalyseur ternaire sont actifs et coopèrent pour augmenter l’activité catalytique, Fe contribuant le plus à l’activité en tant qu’atome le plus abondant. La structure poreuse et la surface accrue de l’électrocatalyseur contribuent probablement également à l’activité catalytique améliorée.
Dans l'ensemble, le ZAB rechargeable de l'équipe a atteint une capacité spécifique de 846,8 mAh·gZn−1 et une densité de puissance de 135 mW·cm–2 dans l'électrolyte liquide. Le ZAB a également atteint une densité de puissance de 60 mW·cm-2 en utilisant l'électrolyte à semi-conducteurs CD/PVA optimisé, ce qui dépasse les résultats rapportés des ZAB à semi-conducteurs avec d'autres catalyseurs.
Il est important de noter que la batterie zinc-air développée dans l’étude était durable, stable et capable d’alimenter un ventilateur et un écran LED ainsi que de charger un téléphone portable. Les chercheurs espèrent que leur électrocatalyseur ternaire Fe-Co-Ni et leur électrolyte CD/PVA stimuleront les recherches sur de nouveaux catalyseurs et électrolytes pour les technologies ZAB pratiques et hautes performances.