Des scientifiques développent de l'aluminium

Jul 08, 2023

Par Université de Fribourg17 août 2023

Les chercheurs ont développé un matériau d'électrode positive pour les batteries aluminium-ion utilisant un polymère rédox organique, qui a montré une capacité supérieure à celle du graphite. Le matériau de l'électrode a subi avec succès 5 000 cycles de charge, conservant 88 % de sa capacité à 10 °C, marquant une avancée significative dans le développement des batteries en aluminium.

Les batteries aluminium-ion apparaissent comme un successeur potentiel des batteries traditionnelles qui reposent sur des matériaux difficiles à trouver et à recycler comme le lithium. Ce changement est attribué à l'abondance de l'aluminium dans la croûte terrestre, à sa recyclabilité, ainsi qu'à sa sécurité et sa rentabilité comparées au lithium.

Néanmoins, les progrès des batteries aluminium-ion n’en sont qu’à leurs débuts, car les chercheurs sont toujours à la recherche de matériaux d’électrodes appropriés pouvant offrir une capacité de stockage adéquate. Une percée dans ce domaine a récemment été réalisée par une équipe de recherche dirigée par le professeur Dr. Birgit Esser de l'Université d'Ulm et le professeur Dr. Ingo Krossing et le professeur Dr. Anna Fischer de l'Université de Fribourg, et dirigée par Gauthier Studer. L'équipe a développé un matériau d'électrode positive composé d'un polymère organique rédox à base de phénothiazine.

Dans l’expérience, les batteries en aluminium avec ce matériau d’électrode ont stocké une capacité jamais atteinte de 167 milliampères-heures par gramme (mAh/g). Le polymère rédox organique dépasse ainsi la capacité du graphite, qui était jusqu’à présent principalement utilisé comme matériau d’électrode dans les batteries. Les résultats ont été publiés dans la revue Energy & Environmental Science.

Le matériau de l'électrode est oxydé pendant la charge de la batterie, absorbant ainsi les anions aluminates complexes. De cette manière, le polymère organique rédox poly(3-vinyl-N-méthylphénothiazine) parvient à insérer deux anions [AlCl4]− de manière réversible pendant la charge. Les chercheurs ont utilisé le chlorure d’éthylméthylimidazolium liquide ionique comme électrolyte additionné de chlorure d’aluminium.

Le diagramme schématique de la batterie montre le processus redox dans lequel le matériau de l'électrode est oxydé et des anions aluminates sont déposés. Crédit : Birgit Esser / Université de Fribourg

« L'étude des batteries en aluminium est un domaine de recherche passionnant avec un grand potentiel pour les futurs systèmes de stockage d'énergie », déclare Gauthier Studer. « Notre objectif est de développer de nouveaux matériaux organiques rédox-actifs qui présentent des propriétés hautement performantes et réversibles. En étudiant les propriétés rédox de la poly (3-vinyl-N-méthylphénothiazine) dans un liquide ionique à base de chloroaluminate, nous avons réalisé une percée significative en démontrant pour la première fois un processus rédox réversible à deux électrons pour un matériau d'électrode à base de phénothiazine. »

La poly(3-vinyl-N-méthylphénothiazine) dépose les anions [AlCl4]− à des potentiels de 0,81 et 1,65 volts et fournit des capacités spécifiques allant jusqu'à 167 mAh/g. En revanche, la capacité de décharge du graphite utilisé comme matériau d’électrode dans les batteries en aluminium est de 120 mAh/g. Après 5 000 cycles de charge, la batterie présentée par l'équipe de recherche possède encore 88 % de sa capacité à 10 C, soit avec un taux de charge et de décharge de 6 minutes. À un taux C inférieur, c'est-à-dire un temps de charge et de décharge plus long, la batterie retrouve inchangée ses capacités d'origine.

"Avec sa tension de décharge élevée et sa capacité spécifique, ainsi que son excellente rétention de capacité à des taux C rapides, le matériau d'électrode représente une avancée majeure dans le développement de batteries rechargeables en aluminium et donc de solutions de stockage d'énergie avancées et abordables", déclare Birgit Esser. .

Référence : « Sur une batterie en aluminium de grande capacité avec un polymère redox de phénothiazine à deux électrons comme électrode positive » par Gauthier Studer, Alexei Schmidt, Jan Büttner, Maximilian Schmidt, Anna Fischer, Ingo Krossing et Birgit Esser, 22 mai 2023, Énergie et sciences de l'environnement.DOI : 10.1039/D3EE00235G

Le projet a été financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) (projet AMPERE au sein du SPP 2248 – Batteries à base de polymères, POLiS – EXC 2154, livMatS – EXC 2193) ainsi que par la Deutsche Bundesstiftung Umwelt, le bwForCluster JUSTUS 2, l'Eva Mayr-Stihl-Stiftung (Saltus !) et le Land Bade-Wurtemberg (bwHCP).