Le zinc est un matériau peu coûteux et abondant, cette découverte pourrait être une aubaine pour les réseaux électriques.
Habituellement, le zinc est utilisé dans des batteries non rechargeables, dites alcalines. C’est-à-dire qu’elles fonctionnent avec un pH élevé. Ce métal est avantageux, il sert à réaliser une des électrodes à moindre coût. L’autre électrode, dans de bonnes conditions, peut être simplement l’air. En résulte une batterie non rechargeable, car la réaction produite ne peut pas se faire dans l’autre sens.
Néanmoins, en remplaçant l’électrolyte à base d’eau par un produit chimique hydrophobe, les chercheurs ont pu réaliser une batterie rechargeable coûtant moins d’un quart du prix d’une batterie carbonate de lithium. Cette évolution permet de se passer de la fabrication d’une électrode de zinc ayant une géométrie particulière indispensable à son fonctionnement.
Les performances sont clairement moins bonnes qu’une version lithium, mais pour les besoins de la distribution électrique, la rapidité du cycle charge-décharge n’est pas vraiment un critère important. L’idée est donc de pouvoir réaliser du stockage bon marché, mais aussi de libérer les besoins en lithium pour des applications où la performance pure de la batterie est nécessaire.
Le fonctionnement d’une pile zinc-air
Dans une pile classique, le zinc fournit des électrons. Ces électrons sont captés par le dioxygène qui va se séparer et permettre la formation d’oxyde de zinc.
Le problème c’est que les ions hydroxydes présents dans l’électrolyte vont également réagir au dioxyde de carbone de l’air pour former des ions carbonates. S’en suit la formation de dendrites (réseau cristallin) à la surface de l’électrode de zinc ce qui empêche une répétition de cycles décharge-recharge.
Des solutions pour permettre la recharge
La première solution envisagée était de simplement de réduire le pH pour éviter les réactions avec les ions hydroxydes. Malheureusement, même dans une solution aqueuse acide, ces ions sont naturellement présents.
Les chimistes du Naval Research Laboratory (à Washington) ont eu l’idée de donner une forme spongieuse à l’électrode de zinc afin de retarder l’apparition des dendrites. Selon leurs études, cela permettrait à la batterie d’effectuer jusqu’à 50 000 cycles.
Mais les chercheurs n’ont pour autant pas renoncé à trouver une solution au problème des ions hydroxydes. Ainsi, en remplaçant la solution alcaline par du triflate, trifluorométhylsulfonate de son nom complet, les choses changent du tout au tout. Il s’agit en résumé d’un ion sulfate attaché à un carbone, lui-même rattaché à 3 atomes de fluor. La partie carbone-fluor repousse l’eau tandis que la partie sulfate peut réagir avec le zinc.
Dans ce milieu, ce n’est plus de l’oxyde de zinc qui se forme, mais du peroxyde de zinc qui permet la réaction inverse et donc la recharge. On obtient donc une batterie avec un très bon rapport poids – énergie stockée, mais qui a un taux de charge relativement lent. Selon les chercheurs, le cycle charge/décharge prendrait 20 heures.
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Cela ne permettra pas à la batterie zinc-air de remplacer ses homologues au lithium pour les applications poussées, mais représente une excellente alternative dans les cas où les performances en termes de vitesse ne sont pas nécessaires.
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