Transition

Particulologie

image: Des scientifiques de l'Institut de technologie de Pékin, de l'Université Tsinghua et de l'Université normale de Harbin ont proposé une stratégie consistant à composer des sites de métaux de transition atomiques pour favoriser des réactions électrochimiques lentes - réaction d'évolution de l'oxygène (OER) et réaction de réduction de l'oxygène (ORR) - pour obtenir des batteries zinc-air rechargeables à haut débit, à haute capacité et à cycle long pour des applications pratiques.Voir plus

Crédit : Bo-Quan Li, Institut de technologie de Pékin

Les batteries zinc-air rechargeables, alimentées par l'oxydation du zinc avec l'oxygène de l'air, offrent une option de stockage efficace pour l'énergie renouvelable qui est à la fois propre et sûre. Les performances de la batterie, cependant, ont été entravées par des réactions électrochimiques lentes à l'oxygène, un goulot d'étranglement critique pour la mise à l'échelle et la commercialisation.

Dans leur étude publiée le 6 octobre dansParticulologie, une équipe de chercheurs en Chine a conçu une stratégie pour améliorer les performances des batteries qui consiste à stimuler les réactions d'oxygène en combinant deux métaux de transition pour fournir une activité électrocatalytique élevée.

La plupart des sources d'énergie renouvelables, y compris l'énergie solaire, manquent de stabilité à long terme et nécessitent des systèmes de stockage d'énergie à haut rendement pour s'intégrer au réseau électrique. Les batteries zinc-air rechargeables sont considérées comme de bons candidats pour le stockage d'énergie de nouvelle génération, car elles sont puissantes avec une densité d'énergie théorique ultra élevée. Ces batteries tirent l'un de leurs principaux réactifs, l'oxygène, de l'air. Ils ne contiennent aucun composé toxique et peuvent être recyclés, éliminés en toute sécurité et rechargés avec du nouveau zinc.

L'obstacle réside dans une paire de réactions électrochimiques - réaction de dégagement d'oxygène (OER) et réaction de réduction d'oxygène (ORR) - qui se produisent à la cathode à air pendant la charge et la décharge de la batterie.

"La cinétique redox pour l'ORR et l'OER est très lente et entraîne une polarisation sévère, une efficacité énergétique réduite et une durée de vie limitée des batteries zinc-air rechargeables pratiques", a déclaré l'auteur de l'article Bo-Quan Li, professeur agrégé à l'Institut de technologie de Pékin.

Pour que les batteries zinc-air soient viables à grande échelle, ces réactions doivent être stimulées. Les métaux nobles et les métaux de transition (nickel, cobalt, manganèse et fer) peuvent être utilisés pour catalyser la cinétique ORR et OER, par exemple en accélérant le transfert d'électrons entre l'électrode et les réactifs. Ces techniques fonctionnent, mais à un coût élevé.

« Les électrocatalyseurs à base de métaux nobles démontrent une activité électrocatalytique de pointe et servent de références largement acceptées », a déclaré Li. "Mais le coût élevé, la rareté de la terre et la faible durabilité entravent leurs applications pratiques à grande échelle."

En tant que tel, la recherche en cours d'une option haute performance sans métal noble qui catalyse à la fois ORR/OER est d'une grande importance pour les batteries zinc-air rechargeables pratiques, a déclaré Li.

Des études antérieures ont montré que l'incorporation d'atomes de métaux de transition dans un substrat de carbone conducteur produit une activité électrocatalytique élevée en raison de l'efficacité atomique, de la structure électronique unique et de la diversité de la structure chimique. Mais quel métal fonctionne le mieux pour ORR et OER ?

Dans leur étude, l'équipe de recherche de l'Institut de technologie de Pékin, de l'Université Tsinghua et de l'Université normale de Harbin se demande : pourquoi n'en choisir qu'un ?

"Un seul type de site actif peut difficilement promouvoir simultanément la cinétique ORR et OER pour fournir une activité électrocatalytique bifonctionnelle exceptionnelle", a déclaré Li. "La composition de différents sites actifs avec une activité électrocatalytique respective a été vérifiée comme une stratégie efficace pour réaliser la multifonctionnalité."

L'équipe de recherche a combiné deux sites de métaux de transition atomiques - le fer atomique (Fe) et le nickel atomique (Ni) - et a intégré le composite sur un substrat de carbone dopé à l'azote (NC). Fe a atteint une activité électrocatalytique élevée sur la réduction de l'oxygène, tandis que Ni a stimulé avec succès l'évolution de l'oxygène. Ensemble, ils ont réalisé des électrocatalyseurs hautement actifs dans les deux réactions.

"L'électrocatalyseur composite a démontré une activité électrocatalytique bifonctionnelle exceptionnelle qui surpasse l'électrocatalyseur à base de métal noble et la plupart des électrocatalyseurs bifonctionnels rapportés basés sur des sites actifs analogues", a déclaré Li.

Les chercheurs ont montré que les batteries zinc-air rechargeables équipées de l'électrocatalyseur FeNi-NC atteignaient une densité de puissance de crête élevée, des taux de fonctionnement élevés et une longue durée de vie.

En plus d'augmenter efficacement les performances de la batterie, le Fe et le Ni sont des alternatives économiques et évolutives aux électrocatalyseurs à oxygène en métal noble plus chers et plus rares dans les batteries rechargeables zinc-air.

L'équipe de recherche développe actuellement des techniques pour optimiser la configuration des sites de métaux de transition atomiques et favoriser la stabilité du cyclage dans les conditions de travail.

"L'objectif ultime est de réaliser des batteries zinc-air rechargeables à haut débit, haute capacité et à long cycle pour des applications pratiques", a déclaré Li.

Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, le programme de fonds de recherche de l'Institut de technologie de Pékin pour les jeunes universitaires, le programme de recherche scientifique de l'initiative de l'Université de Tsinghua et le programme de projet ouvert du laboratoire clé pour les matériaux photoniques et électriques, ministère de l'Éducation.

Parmi les autres contributeurs figurent Juan Wang et Jia-Qi Huang de l'Institut de technologie de Pékin ; Chang-Xin Zhao, Jia-Ning Liu, Ding Ren et Qiang Zhang de l'Université Tsinghua ; et Xinzhi Ma de l'Université normale de Harbin.

Particuology (IF=3.251) est une revue interdisciplinaire qui publie des articles de recherche exploratoire et des revues critiques sur la découverte, la formulation et l'ingénierie des matériaux, procédés et systèmes particulaires. Les sujets sont largement pertinents pour la production de matériaux, de produits pharmaceutiques et alimentaires, la conversion des ressources énergétiques et la protection de l'environnement. Pour plus d'informations, veuillez consulter : https://www.journals.elsevier.com/particuology.

Particulologie

10.1016/j.particulier.2022.09.003

Étude expérimentale

Composition de sites de métaux de transition atomiques pour l'électrocatalyse bifonctionnelle à haute performance de l'oxygène dans les batteries rechargeables zinc-air

6 oct. 2022

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