Les batteries secondaires existantes se caractérisent par une densité énergétique élevée et de bonnes performances en cyclage. Cependant, les électrolytes organiques couramment utilisés sont toxiques et inflammables, ce qui présente certains risques pour la sécurité. De plus, les matériaux d'électrodes existants sont limités en ressources et coûtent cher, ce qui limite leur application à grande échelle dans le domaine du stockage d'énergie. L'utilisation d'électrolytes aqueux à la place d'électrolytes organiques permet d'améliorer efficacement la sécurité des batteries et de réduire les coûts de production. Parallèlement, leur conductivité ionique est deux fois supérieure à celle des électrolytes organiques, ce qui permet aux batteries d'atteindre une densité de puissance plus élevée. C'est pourquoi les batteries aqueuses ont suscité un vif intérêt de la part des milieux industriels et universitaires ces dernières années.

Les batteries à base d'eau actuelles comprennent principalement les batteries lithium-ion, les batteries sodium-ion et les batteries zinc-ion. Comparativement, le zinc métallique est peu coûteux, non toxique et possède un faible potentiel redox, ce qui le rend plus adapté aux électrolytes aqueux. Utilisé comme anode pour les batteries zinc-ion, il présente un potentiel de recherche plus important. De plus, grâce à la forte densité du zinc et à la réaction électrochimique à deux électrons, les batteries zinc-ion présentent une densité énergétique volumique plus élevée et offrent de belles perspectives d'application.

Composition de la batterie hydrothermale zinc-ion

Une batterie zinc-ion à base d'eau est généralement constituée d'un matériau à base d'eau. électrolyte , séparateur , et des matériaux d'électrode positive et négative qui assurent la capacité. Le séparateur est généralement constitué de papier filtre en fibres poreuses hydrophiles ou de fibres de verre ; l'électrolyte est généralement une solution de sel de zinc faiblement acide, telle que le sulfate de zinc (ZnSO4), l'acide trifluorométhylsulfonique de zinc (Zn(CF3SO3)2 ou Zn(OTf)2), le chlorure de zinc (ZnCl2), etc., qui jouent le rôle de transporteurs de charge ; le matériau d'électrode positive est mélangé uniformément avec des matériaux de stockage du zinc, des additifs conducteurs et des liants, puis appliqué sur le collecteur de courant pour former l'ensemble. Parmi ces matériaux, les matériaux de stockage du zinc sont des composés présentant des fenêtres redox appropriées, la plupart présentant des structures en couches, en charpente ou en tunnel ; le collecteur de courant de l'électrode positive utilise généralement des matériaux à haute conductivité, tels que feuille de titane , maille en acier inoxydable, tissu de carbone , papier carbone , etc. ; l'électrode négative utilise généralement de l'acier de haute pureté feuille de zinc .

Matériau d'électrode positive pour batteries zinc-ion aqueuses

Le matériau de la cathode sert de matériau hôte pour le stockage du Zn2+ et détermine en grande partie la tension de fonctionnement et la capacité de décharge spécifique des batteries zinc-ion aqueuses. Par conséquent, afin d'améliorer la compétitivité des batteries zinc-ion aqueuses sur le marché du stockage d'énergie à grande échelle, le développement de matériaux de cathode présentant d'excellentes performances électrochimiques revêt une importance capitale. Les performances de charge-décharge et la stabilité cyclique des matériaux de cathode sont aujourd'hui les principaux facteurs limitant l'utilisation à grande échelle des batteries. Les ions zinc provoquant facilement des interactions électrostatiques élevées lors de leur insertion et de leur retrait dans le matériau de cathode, ce dernier doit concilier haute capacité et stabilité structurelle. Les matériaux à structure tunnel et à grand espacement intercouches, tels que les composés à base de manganèse et de vanadium, bleu de Prusse Les analogues sont actuellement les matériaux de cathode les plus étudiés pour les batteries zinc-ion aqueuses.

Les composés à base de manganèse se caractérisent par une faible toxicité, une tension électrique élevée, une capacité spécifique élevée et un faible coût. Dans les batteries lithium-ion, ils sont largement utilisés comme matériaux d'électrode positive. En raison de la tension de décomposition limitée de l'eau, l'état d'oxydation des composés d'électrode positive est principalement concentré sur +4 et +3, à savoir MnO₂, Mn₂O₃ et Mn₃O₄, ainsi que sur la phase spinelle ZnMn₂O₄, MgMn₂O₄, etc. Parmi ces composés, MnO₂ est le plus courant et présente la capacité spécifique théorique la plus élevée (308 mAh/g).

Les matériaux à base de vanadium constituent d'excellents matériaux de cathode pour les batteries zinc-ion aqueuses. Polyvalent, le vanadium peut subir plusieurs étapes d'oxydation et de réduction, ce qui lui confère une capacité spécifique théorique relativement élevée. De plus, ils présentent des plages de tension appropriées, d'environ 0,8 à 1,0 V (par rapport à Zn/Zn2+). Parallèlement, la structure formée par l'interconnexion de polyèdres VO facilement déformables confère aux matériaux à base de vanadium une excellente conception. Actuellement, divers types de matériaux à base de vanadium sont utilisés comme matériaux de cathode pour les batteries zinc-ion aqueuses, notamment : les oxydes de vanadium (V2O5, VO2, V2O3, V6O13, etc.) et les sels de vanadium (NaV3O8). · 1.5H₂O, LiV₃O₃, CuV₂O₃, etc.), matériaux à base de vanadium à structure polyanionique (NASICON), ainsi que d'autres sulfures à base de vanadium et oxydes d'azote et de vanadium. Leur capacité est supérieure à celle des composés à base de manganèse, mais leurs tensions de décharge sont plus faibles.

Les analogues du bleu de Prusse sont des matériaux hôtes pour divers ions métalliques. Les composés organométalliques cubiques présentent des caractéristiques telles que de larges canaux d'intercalation et une conductivité ionique élevée. Parmi les analogues du bleu de Prusse, l'hexacyanoferrate métallique (HCF) est le matériau candidat le plus prometteur, adapté aux ions monovalents et polyvalents. Pour les batteries zinc-ion aqueuses, les processus d'intercalation réversibles de ZnHCF et CuHCF dans l'électrolyte ZnSO4 se sont avérés réversibles. De plus, les analogues du bleu de Prusse présentent un potentiel d'électrode positive très élevé. À 1,7 V par rapport à Zn/Zn2+, le potentiel est proche du potentiel de réaction de réduction de l'oxygène dans les électrolytes aqueux. Bien qu'ils exploitent efficacement la fenêtre de stabilité de l'électrolyte, la capacité spécifique de tous les analogues du bleu de Prusse est relativement faible, environ 60 mAh/g, ce qui est inférieur à celui des composés à base de manganèse et de vanadium.

Outre les différents types de matériaux mentionnés ci-dessus, d'autres matériaux organiques, des sulfures et des oxydes de métaux de transition dotés de fenêtres de tension et de structures appropriées sont également devenus des points chauds dans la recherche sur le stockage du zinc, tels que : les matériaux organiques comme les composés de polyaniline et de quinone ; Mo6S8, MoS2 et d'autres matériaux à base de molybdène ; Co3O4 et d'autres matériaux à base de cobalt ; les matériaux à ossature métallo-organique (MOF), les ossatures organiques covalentes (COF) ; les matériaux en couches de Mxène, etc.

Problèmes et optimisation des matériaux cathodiques pour batteries zinc-ion à base d'eau

Les matériaux cathodiques à base de manganèse souffrent généralement d'une faible conductivité électronique, d'une cinétique de réaction lente du Zn2+, d'une expansion volumique lors du cyclage et d'une dissolution du matériau cathodique. Ces problèmes entraînent une dégradation rapide de la capacité et une faible stabilité en cyclage, réduisant ainsi leur intérêt applicatif dans les systèmes de batteries. Pour résoudre ces problèmes, des méthodes telles que l'ingénierie des défauts, la modification des interfaces, le dopage cationique et la construction de matériaux composites sont couramment utilisées.

Les matériaux de cathode à base de vanadium sont actuellement confrontés à des problèmes tels que la forte résistance à la diffusion du Zn2+ dans l'électrode, la solubilité du vanadium dans les électrolytes aqueux et l'instabilité de leur structure. Les chercheurs ont mené des études approfondies par traitement d'intercalation, optimisation structurale et morphologique, composite avec des substances hautement conductrices, introduction de défauts ou optimisation de l'électrolyte afin d'améliorer la capacité des batteries et leur stabilité en cyclage. Parallèlement, des efforts sont déployés pour développer de nouvelles cathodes à base de vanadium et explorer l'application des oxydes de vanadium, des vanadates et des composés de phosphovanadium comme matériaux de cathode pour les batteries zinc-ion aqueuses.

Les analogues du bleu de Prusse présentent une faible conductivité et peu de sites actifs, ce qui entraîne une faible capacité et une densité énergétique réduite. De plus, le processus de transformation de phase de l'électrode pendant le cyclage entraîne également une décroissance de capacité et une diminution des performances de cyclage. Pour résoudre ces problèmes, des lacunes sont généralement introduites dans la structure cristalline ou d'autres sites actifs redox afin d'accroître la capacité.