Une recherche récemment publiée propose des éléments de conception optimaux des électrolytes aqueux pour une utilisation dans les batteries aqueuses à basse température.
Le stockage de l’énergie par la technologie des batteries rechargeables alimente nos modes de vie numériques et favorise l’intégration des énergies renouvelables dans le réseau électrique. Cependant, le fonctionnement des batteries dans des conditions froides reste un défi, ce qui motive la recherche sur l’amélioration des performances à basse température des batteries. Les batteries aqueuses (dans une solution liquide) sont plus performantes que les batteries non aqueuses en termes de capacité de débit (une mesure de l’énergie déchargée par unité de temps) à basse température.
De nouvelles recherches menées par des ingénieurs de l’Université chinoise de Hong Kong, qui ont été récemment publiées dans le journal “China University of Hong Kong”. Nano Research Energy, propose des éléments de conception optimale des électrolytes aqueux pour une utilisation dans les batteries aqueuses à basse température. La recherche passe en revue les propriétés physico-chimiques des électrolytes aqueux (qui déterminent leurs performances dans les batteries) sur la base de plusieurs paramètres : diagrammes de phase, taux de diffusion des ions et cinétique des réactions d’oxydoréduction.
Les principaux défis pour les batteries aqueuses à basse température sont que les électrolytes gèlent, les ions diffusent lentement, et la cinétique redox (processus de transfert d’électrons) est par conséquent lente. Ces paramètres sont étroitement liés aux propriétés physico-chimiques des électrolytes aqueux à basse température utilisés dans les batteries.
Afin d’améliorer les performances des batteries dans des conditions froides, il faut donc comprendre comment les électrolytes réagissent au froid (-50°C). oC à -95 oC / -58 oF à -139 oF). Selon l’auteur de l’étude et professeur associé Yi-Chun Lu, “pour obtenir des batteries aqueuses à basse température (LT-AB) performantes, il est important d’étudier les propriétés physico-chimiques des électrolytes aqueux en fonction de la température afin de guider la conception des électrolytes aqueux à basse température (LT-AE)”.
Diagramme montrant les stratégies de conception des électrolytes aqueux, y compris la thermodynamique antigel, la cinétique de diffusion des ions et la cinétique d’oxydoréduction interfaciale. Crédit : Nano Research Energy
Evaluation des électrolytes aqueux
Les chercheurs ont comparé divers LT-AE utilisés dans les technologies de stockage de l’énergie, notamment les électrolytes aqueux de Li+/Na+/K+/H+/Zn2+… -batteries, supercondensateurs et batteries à écoulement. L’étude a rassemblé des informations provenant de nombreux autres rapports concernant les performances de divers LT-AE, par exemple un électrolyte hydrogel antigel pour une batterie aqueuse Zn/MnO2 et un électrolyte d’éthylène glycol (EG)-H2O pour une batterie Zn métal.
Ils ont systématiquement examiné les diagrammes de phase à l’équilibre et hors équilibre pour ces LT-AEs rapportés afin de comprendre leurs mécanismes d’antigel. Les diagrammes de phase ont montré comment la phase de l’électrolyte change en fonction des températures. L’étude a également examiné la conductivité des LT-AE en fonction de la température, des concentrations d’électrolyte et des porteurs de charge.
L’auteur de l’étude, Lu, a prédit que “les électrolytes aqueux antigel idéaux ne devraient pas seulement présenter une faible température de congélation”. Tm mais possèdent également une forte capacité de surfusion”, c’est-à-dire que le milieu électrolytique liquide reste liquide même en dessous de la température de congélation, permettant ainsi le transport d’ions à très basse température.
Les auteurs de l’étude ont constaté qu’en effet, les électrolytes liquides qui permettent aux batteries de fonctionner à des températures ultra-basses présentent pour la plupart de faibles points de congélation et de fortes capacités de surrefroidissement. De plus, Lu propose que “la forte capacité de surrefroidissement peut être réalisée en améliorant le temps de cristallisation minimum t et en augmentant la valeur du rapport entre la température de transition vitreuse et la température de congélation (Tg/Tm) des électrolytes”.
La conductivité de charge des LT-AEs rapportés pour une utilisation dans les batteries pourrait être améliorée en diminuant la quantité d’énergie requise pour que le transfert d’ions se produise, en ajustant la concentration des électrolytes et en choisissant certains porteurs de charge qui favorisent des taux de réaction redox rapides. Selon Lu, “la réduction de l’énergie d’activation de la diffusion, l’optimisation de la concentration de l’électrolyte, le choix de porteurs de charge à faible rayon d’hydratation et la conception d’une diffusion concertée”.mécanisme[s] seraient des stratégies efficaces pour améliorer la conductivité ionique des LT-AEs.”
À l’avenir, les auteurs espèrent étudier plus avant les propriétés physico-chimiques des électrolytes qui contribuent à améliorer les performances des batteries aqueuses à basse température. “Nous aimerions développer des batteries aqueuses à basse température (LT-AB) très performantes en concevant des électrolytes aqueux possédant une faible température de congélation, une forte capacité de surfusion, une conductivité ionique élevée et une cinétique d’oxydoréduction interfaciale rapide”, déclare Lu.
Référence : “Design strategies for low temperature aqueous electrolytes” par Liwei Jiang, Dejian Dong et Yi-Chun Lu, 17 avril 2022, Nano Research Energy.
DOI : 10.26599/NRE.2022.9120003
Les auteurs de cet article sont Liwei Jiang, Dejian Dong et Yi-Chun Lu.
Cette recherche a été financée par le Research Grant Council de la Région administrative spéciale de Hong Kong, Chine.
