Batteries calcium-ion :la prochaine frontière en matière de stockage d'énergie

Andrew Corselli Professeur Yoonseob KIM (à droite), professeur agrégé au Département de génie chimique et biologique et auteur correspondant, et son doctorat. l'étudiant YIN Zhuoyu (à gauche), premier auteur, qui tient un moule de cellule électrochimique. Ils sont représentés à côté d’un cycleur de cellules de batterie. (Image : HKUST)

Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) ont réalisé une percée dans la technologie des batteries calcium-ion (CIB), qui pourrait transformer les solutions de stockage d'énergie dans la vie quotidienne. Utilisant des électrolytes quasi-solides (QSSE), ces CIB innovants promettent d'améliorer l'efficacité et la durabilité du stockage d'énergie, ayant un impact sur un large éventail d'applications allant des systèmes d'énergie renouvelable aux véhicules électriques. Les résultats sont publiés dans la revue internationale Advanced Science intitulé « Batteries calcium-ion quasi-solides haute performance à partir d'électrolytes à structure organique covalente redox-active. »

L’urgence de solutions de stockage d’énergie durables devient de plus en plus critique à l’échelle mondiale. Alors que le monde accélère sa transition vers l’énergie verte, la demande de systèmes de batteries efficaces et stables n’a jamais été aussi pressante. Les batteries Li-ion (LIB) grand public d'aujourd'hui sont confrontées à des défis en raison de la rareté des ressources et d'une densité énergétique quasi limitée, ce qui rend l'exploration d'alternatives telles que les CIB essentielles pour un avenir durable.

Les CIB sont très prometteurs en raison de leur fenêtre électrochimique comparable à celle des LIB et de leur abondance sur Terre. Cependant, ils ont du mal, notamment pour parvenir à un transport efficace des cations et maintenir des performances de cyclage stables. Ces obstacles limitent actuellement la compétitivité des BFI par rapport aux LIB disponibles dans le commerce.

Pour surmonter ces défis, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Yoonseob KIM, professeur agrégé au département de génie chimique et biologique de la HKUST, a développé des cadres organiques covalents redox pour servir de QSSE. Ces QSSE riches en carbonyle ont démontré une conductivité ionique remarquable (0,46 mS cm-1) et une capacité de transport du Ca2+ (>0,53) à température ambiante. En combinant des études expérimentales et de simulation, l'équipe a révélé que le Ca2+ se transporte rapidement le long des groupes carbonyle alignés dans les pores ordonnés des COF.

Cette approche innovante a conduit à la création d'une cellule entièrement à ions calcium qui présentait une capacité spécifique réversible de 155,9 mAh g-1 à 0,15 A g-1 et maintenait une rétention de capacité de plus de 74,6 % à 1 A g-1 après 1 000 cycles, démontrant le potentiel des COF rédox pour faire progresser la technologie CIB.

Schémas montrant les processus de synthèse de fabrication d'électrolytes quasi-solides à base de charpente organique covalente et de fonctionnement d'une cellule complète réalisés dans ce travail. (Image : HKUST)

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec Kim.

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté lors du développement de cette avancée technologique CIB ?

Kim :Le plus grand défi était le mouvement intrinsèquement lent des ions calcium. Comparés aux ions lithium, les ions calcium ont une taille plus grande et une charge plus forte, ce qui rend leur diffusion beaucoup plus lente, en particulier dans les électrolytes quasi-solides, où la conductivité peut être plus de dix fois inférieure à celle du lithium. Surmonter cette baisse significative de conductivité était essentiel pour rendre les batteries calcium-ion viables.

Pour résoudre ce problème, nous avons exploré l’utilisation de matériaux poreux hautement cristallins pour construire des voies de transport d’ions alignées verticalement. En concevant ces structures, nous avions pour objectif de créer des canaux continus facilitant le mouvement des ions. De plus, nous avons introduit des sites actifs stratégiquement placés le long de ces voies pour promouvoir et maintenir un transport efficace des ions calcium. Cette approche était non seulement innovante, mais aussi exceptionnellement difficile à mettre en œuvre, car elle nécessitait un contrôle précis de l'architecture des matériaux et de la chimie de surface à l'échelle nanométrique.

Notes techniques :Pouvez-vous expliquer en termes simples comment cela fonctionne s'il vous plaît ?

Kim :Imaginez une batterie traditionnelle comme deux conteneurs reliés par un pont. Les ions – porteurs chargés – doivent traverser ce pont pour produire de l’électricité. Dans les batteries au calcium, le défi est que les ions calcium sont plus gros et plus « collants » que les ions lithium utilisés aujourd’hui dans la plupart des batteries. Ils ont tendance à ralentir ou à rester bloqués en cours de route, en particulier dans notre électrolyte quasi solide, qui ressemble à un solide plutôt qu'à un liquide.

Nous avons donc construit un système routier spécial à l’intérieur de notre batterie. En utilisant des matériaux poreux, nous avons créé des voies claires qui guident les ions calcium dans la bonne direction. Nous avons également ajouté des « stations-service » en cours de route, des endroits qui donnent un petit coup de pouce aux ions pour les maintenir en mouvement. Cette conception aide les gros ions calcium à voyager efficacement, de sorte que la batterie peut stocker et fournir de l'énergie efficacement en utilisant une abondance de calcium au lieu du rare lithium.

Notes techniques :Avez-vous des projets précis pour des recherches/travaux/etc. supplémentaires ? Si non, quelles sont vos prochaines étapes ?

Kim :Oui, nous avons des prochaines étapes claires. Premièrement, nous prévoyons d’optimiser davantage les canaux de transport d’ions pour obtenir une conductivité des ions calcium encore plus élevée. Notre objectif est de permettre la conduction d'ions calcium uniques à travers les matériaux à structure organique covalente (COF), ce qui signifie que chaque canal transporte les ions plus efficacement, comme une voie express dédiée.

Deuxièmement, nous travaillerons sur l’optimisation des matériaux et des structures des cathodes et des anodes. À terme, nous visons à développer une batterie calcium-ion entièrement solide, qui améliorerait encore la densité énergétique et la sécurité. Cela nous rapproche d'une batterie pratique et performante utilisant une abondance de calcium.

Notes techniques :Y a-t-il autre chose que vous aimeriez ajouter et que je n'ai pas abordé ?

Kim :Je vais parler de l'orientation prometteuse des batteries rechargeables, une direction importante qui nous passionne :pour l'instant, nous nous concentrons sur la construction de batteries avec des matériaux actifs d'anode, mais notre objectif ultime est de développer des batteries sans anode.

Imaginez une batterie dans laquelle vous n'avez pas besoin de transporter le matériau de l'anode :il se forme pendant la charge. Cela augmenterait considérablement la densité énergétique, car vous utilisez efficacement chaque morceau de matériau. C'est comme mettre plus de bagages dans la même valise.

La conception sans anode est considérée comme la prochaine génération de batteries rechargeables, et nous pensons que la chimie du calcium offre une opportunité unique pour y parvenir. C'est ambitieux, mais c'est sur cela que nous travaillons.

Notes techniques :Avez-vous des conseils à donner aux chercheurs souhaitant concrétiser leurs idées ?

Kim :Voici quelques suggestions :

Premièrement, n’évitez pas les problèmes difficiles – acceptez-les. Si un défi est difficile, cela signifie que la solution sera précieuse. Les ions calcium sont intrinsèquement plus lents que le lithium, mais relever ce défi fondamental est ce qui rend cette avancée significative.

Deuxièmement, pensez structurellement, pas seulement chimiquement. Parfois, la réponse n'est pas le nouveau matériel, mais la façon dont vous l'organisez. Notre conception de canal poreux est née de la question non seulement de « quoi » mais aussi de « comment » :comment les ions se déplacent-ils réellement dans l'espace ?

Et enfin, restez patient mais persévérant. Les avancées se produisent rarement du jour au lendemain. Ils proviennent de petites victoires progressives, comme l'amélioration de la conductivité de quelques pour cent, puis de quelques pour cent supplémentaires, jusqu'à ce que vous franchissiez soudainement un seuil.

Les problèmes qui valent la peine d'être résolus sont ceux qui ne s'abandonnent pas facilement.