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Les batteries lithium-ion (LIB) sont devenues extrêmement populaires en tant que source d’alimentation de référence pour une grande variété d’appareils électroniques et de véhicules au cours des deux dernières décennies. Bien qu’il soit difficile d’exagérer les effets transformateurs que les LIB ont eu sur les sociétés modernes, cette technologie présente de nombreux inconvénients qui ne peuvent plus être ignorés. Ceux-ci incluent la disponibilité limitée du lithium ainsi que des problèmes de sécurité et d’environnement. Ces inconvénients ont motivé les scientifiques du monde entier à rechercher des technologies de batteries alternatives, telles que les batteries aqueuses. Les batteries potassium-ion (KIB) en sont un exemple frappant ; ces batteries sont fabriquées à partir de matériaux disponibles en abondance et sont beaucoup plus sûres que les LIB. De plus, les KIB peuvent utiliser un électrolyte eau dans sel (WISE), ce qui les rend plus stables thermiquement et chimiquement.
Cependant, la prévention du dégagement d’hydrogène au niveau de l’électrode négative pour sa stabilisation constitue un défi majeur dans les batteries aqueuses haute tension. Bien que les interphases électrolytiques solides (SEI) qui se forment entre ces électrodes et la solution électrolytique aident à stabiliser les électrodes des LIB (en empêchant la décomposition de l’électrolyte et l’autodécharge des batteries), elles ont peu fait l’objet de recherches dans le contexte des KIB.
Pour combler cette lacune majeure dans les connaissances, une équipe de recherche de l’Université des sciences de Tokyo (TUS), au Japon, a récemment mené une étude pionnière pour mieux comprendre la formation des SEI et leurs propriétés dans les KIB basés sur WISE. Leurs conclusions ont été publiées en ligne dans la revue Édition internationale de chimie appliquée le 18 août 2023. L’étude, dirigée par le professeur Shinichi Komaba de la TUS, est co-écrite par le professeur agrégé junior Ryoichi Tatara, le Dr Zachary T. Gossage et Mme Nanako Ito, tous de la TUS.
Les chercheurs ont principalement utilisé deux techniques analytiques avancées — la microscopie électrochimique à balayage (SECM) et la spectrométrie de masse électrochimique operando (OEMS) — pour observer comment le SEI se forme et réagit en temps réel pendant le fonctionnement d’un KIB avec un 3,4,9, Électrode négative de diimide 10-pérylènetétracarboxylique et 55 mol/kg K(FSA)0,6(OTf)0,4∙1H2O, un WISE développé par l’équipe dans une étude précédente.
Les expériences ont révélé que le SEI forme une couche passivante dans WISE semblable à celle observée dans les LIB, avec des taux de transfert d’électrons apparents lents, contribuant ainsi à supprimer le dégagement d’hydrogène. Cela peut garantir des performances stables et une plus grande durabilité des KIB. Cependant, les chercheurs ont observé que la couverture de la couche SEI était incomplète à des tensions de fonctionnement plus élevées, conduisant à un dégagement d’hydrogène.
Pris ensemble, les résultats révèlent la nécessité d’explorer des voies potentielles pour améliorer la formation de SEI dans les futures batteries aqueuses. « Bien que nos résultats révèlent des détails intéressants sur les propriétés et la stabilité du SEI trouvés dans un WISE particulier, nous devrions également nous concentrer sur le renforcement du réseau SEI pour obtenir une fonctionnalité améliorée », commente le professeur Komaba. « Le SEI pourrait peut-être être amélioré par le développement d’autres électrolytes produisant des SEI uniques, mais également par l’incorporation d’additifs électrolytiques ou d’un prétraitement de la surface des électrodes. »
Cette étude met également en évidence la puissance du SECM et de l’OEMS pour acquérir une solide compréhension des interactions électrode-électrolyte dans les batteries de nouvelle génération. « Ces techniques constituent un moyen puissant pour suivre le développement, la couverture, le transfert d’ions et la stabilité du SEI et peuvent facilement être adaptées à une variété d’électrolytes et d’électrodes », explique le professeur Komaba. « Nous espérons que ce travail encouragera d’autres chercheurs à explorer davantage le SECM et l’OEMS en tant que méthodes de caractérisation avancées pouvant être intégrées aux mesures traditionnelles des batteries pour obtenir des informations plus approfondies. »
Le développement de batteries aqueuses telles que les KIB jouera un rôle déterminant dans les sociétés durables du futur, car elles pourraient remplacer les LIB coûteuses et dangereuses actuellement utilisées dans les véhicules électriques, les réseaux intelligents, les systèmes d’énergie renouvelable et les applications marines. En rendant le stockage d’énergie plus accessible, les batteries aqueuses faciliteront la transition vers une production d’énergie neutre en carbone, ouvrant ainsi la voie à un avenir plus vert.
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