Hierarchical Cotton Pulp Fiber-Microfibrillated Cellulose Separator for Long- Cycle-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries

Le stockage de l'énergie est l'épine dorsale silencieuse d'un monde moderne alimenté par le soleil et le vent. Lorsque le soleil brille ou que le vent souffle, l'électricité doit être capturée et conservée pour une utilisation ultérieure, une tâche actuellement dominée par les batteries lithium-ion. Bien que ces batteries alimentent nos téléphones et nos voitures, elles dépendent de matériaux dont l'extraction est coûteuse et qui impliquent souvent des liquides inflammables pouvant prendre feu. Les scientifiques recherchent donc des alternatives plus sûres et moins chères, capables de gérer l'échelle massive requise pour alimenter des villes entières. Un candidat prometteur est la batterie aqueuse à base de zinc. Ces dispositifs utilisent des liquides à base d'eau pour déplacer l'énergie, ce qui les rend intrinsèquement plus sûrs et fabriqués à partir de matériaux abondants et peu coûteux. Cependant, comme un jeune arbre qui pousse trop vite, le zinc à l'intérieur de ces batteries a tendance à former des pointes acérées et semblables à des aiguilles appelées dendrites. Ces pointes peuvent percer la barrière entre les côtés positif et négatif de la batterie, provoquant la défaillance ou le court-circuit de celle-ci. Pour que ces batteries durent assez longtemps pour être utiles, les chercheurs doivent trouver un moyen d'empêcher ces pointes de croître et de maintenir la structure interne de la batterie intacte.

Une équipe de chercheurs de l'Université du Xinjiang et de l'Université de Tianjin a développé une nouvelle barrière, ou séparateur, conçu spécifiquement pour résoudre ce problème. Au lieu d'utiliser des plastiques synthétiques ou des fibres de verre, ils se sont tournés vers la nature, créant un séparateur entièrement à partir de coton. Ils ont combiné deux formes de cellulose, le composant structurel principal des parois cellulaires végétales : des fibres de pulpe de coton et de la cellulose microfibrillée. La pulpe de coton fournit de longues fibres à l'échelle du micron, tandis que la cellulose microfibrillée est composée de minuscules brins à l'échelle nanométrique. En mélangeant ces deux matériaux et en les filtrant par le vide, les chercheurs ont créé un tapis dense et entrelacé. Ce tapis présente une structure hiérarchique, ce qui signifie qu'il possède des pores de différentes tailles qui travaillent ensemble. Les pores plus larges permettent à l'électrolyte liquide de circuler rapidement, tandis que le réseau dense de minuscules fibres agit comme un bouclier robuste contre la croissance des pointes de zinc.

Les résultats de cette approche ont été mesurés en laboratoire avec une précision impressionnante. Le nouveau séparateur à base de coton s'est avéré remarquablement solide, avec une résistance à la traction de 23,36 mégapascals, dépassant de loin les 0,2 mégapascal des séparateurs de fibres de verre standards actuellement utilisés. Cette force est cruciale car elle empêche le séparateur de se déchirer lors de l'assemblage de la batterie ou lorsque les pointes de zinc tentent de passer à travers. Le matériau a également absorbé efficacement l'électrolyte liquide de la batterie et a permis aux ions zinc de circuler de manière fluide. Lorsque les chercheurs ont testé la capacité de la batterie à charger et décharger de manière répétée, la différence était flagrante. Une batterie équipée du nouveau séparateur en coton a fonctionné pendant plus de 1 200 heures à un courant constant, alors qu'une batterie avec le séparateur standard en fibres de verre a échoué après seulement 400 heures. Même dans des conditions plus exigeantes, où la batterie était sollicitée pour stocker une grande quantité d'énergie dans un petit espace, le séparateur en coton a permis à la batterie de fonctionner pendant plus de 200 heures sans défaillance, tandis que la version en fibres de verre a subi un court-circuit en moins de 100 heures.

En examinant de plus près les batteries après les tests, il est apparu pourquoi le séparateur en coton a si bien performé. Dans les batteries avec le séparateur standard en fibres de verre, le métal zinc a poussé en pointes rugueuses et irrégulières qui ont endommagé le séparateur et créé une surface désordonnée. En revanche, les batteries avec le séparateur en coton présentaient une couche de zinc lisse et plate, indiquant que le métal se déposait uniformément plutôt que de former des pointes dangereuses. Le matériau de coton a également aidé à réduire la formation de sous-produits chimiques indésirables qui peuvent obstruer la batterie. Lorsque les chercheurs ont construit une batterie complète utilisant un matériau à base de vanadium pour le côté positif, le séparateur en coton a aidé la batterie à conserver environ 83 % de sa capacité après 100 cycles, tandis que le séparateur standard a permis à la capacité de chuter à seulement 17 %. Même après 1 200 cycles à grande vitesse, la batterie avec le séparateur en coton présentait toujours une capacité spécifique de 92,4 milliampère-heures par gramme.

Ce travail suggère qu'un matériau simple et biodégradable fabriqué à partir de coton peut surpasser des alternatives synthétiques complexes dans l'environnement rude d'une batterie métallique. Les chercheurs ont constaté que la combinaison de longues fibres et de nanofibres minuscules a créé une structure qui soit assez forte pour bloquer les pointes, et assez poreuse pour laisser circuler l'énergie. Bien que l'article note qu'une optimisation supplémentaire est nécessaire pour une charge à très haute vitesse, les conclusions offrent une voie claire à suivre. En utilisant une ressource renouvelable qui est déjà abondante et peu coûteuse, cette approche offre un moyen durable de construire des batteries plus sûres et plus durables pour le futur du stockage de l'énergie.