[기계신문] L’équipe de recherche du Dr Lee Joong-ki au Centre de recherche sur le stockage d’énergie de l’Institut coréen des sciences et de la technologie (KIST) a développé une batterie secondaire d’électrode en zinc métallique de nouvelle génération sans risque d’explosion ou d’incendie. Cette batterie est suffisamment sûre pour être portée sur le corps et peut être fabriquée sous forme de fibre, de sorte qu’elle peut être utilisée comme source d’alimentation pour des appareils portables à l’avenir.

Récemment, une batterie secondaire aux ions de zinc utilisant un électrolyte aqueux attire l’attention en tant que batterie secondaire de nouvelle génération qui peut remplacer la batterie secondaire au lithium-ion existante en termes de sécurité de la batterie.

Alors que le domaine d’application des batteries secondaires s’étend des petits appareils électroniques aux gros appareils électroniques tels que les véhicules électriques, le développement de batteries secondaires de nouvelle génération à haute capacité et haute stabilité est nécessaire.

▲ L’équipe de recherche du KIST qui a développé une batterie zinc-ion de nouvelle génération sûre et conviviale grâce à la technologie de traitement de surface de l’électrode (à partir de la gauche) Woowooman Institute of Technology, le chercheur principal Lee Joong-ki et le chercheur Ji-Young Kim

Parmi les matériaux de base d’une batterie à ions zinc, l’anode en métal de zinc diminue l’activité de la batterie en raison de la formation continue de dendrites de zinc et de la corrosion avec l’électrolyte aqueux, ce qui conduit à son tour à une faible réversibilité de la batterie et à une perte de capacité de décharge.

La dendrite est un cristal en forme de branche d’arbre qui se développe anormalement sur une partie de la surface métallique lorsque les ions zinc sont réduits et déposés sur la surface d’une électrode métallique, provoquant une expansion du volume de l’électrode et des réactions secondaires entre l’électrode et l’électrolyte, réduisant la sécurité et la durée de vie de la batterie. Frappe.

Récemment, de nombreuses recherches ont été menées pour surmonter les limites des batteries à ions zinc grâce au revêtement de surface et au contrôle de la forme du zinc métallique. Cependant, l’épaisseur du revêtement est un facteur très important pour améliorer les performances de la batterie grâce au revêtement de surface.

▲ Le chercheur du KIST Ji-young Kim (à gauche) et le chercheur principal Lee Joong-ki vérifient des images microscopiques de la surface formée sous la forme d’une pyramide hexagonale grâce à la technologie de traitement de surface du métal de zinc.

Au fur et à mesure que l’épaisseur s’amincit par nano, il y a un inconvénient en ce que la technologie du vide est appliquée, de sorte que le coût et la durée du processus sont importants, et à mesure que l’épaisseur du revêtement augmente, la résistance interfaciale augmente, de sorte qu’il y a une limite à l’amélioration des performances électrochimiques.

Bien que la modification de surface par le contrôle de la forme de l’électrode vise à déposer en abaissant la densité de courant de la surface de l’électrode et même la distribution des ions zinc à l’interface, la corrosion du zinc métallique est exposée car elle est due au contact avec l’électrolyte aqueux après le dépôt. À cet égard, des recherches sont nécessaires pour améliorer simultanément la réversibilité et la stabilité élevées des anodes en métal de zinc.

L’équipe du Dr Lee Joong-ki au KIST a développé une méthode d’anodisation par cycle qui fait circuler le courant de manière répétée sur la surface d’une électrode métallique et la bloque, et a réussi à contrôler simultanément le revêtement de surface et la forme du film d’oxyde métallique de zinc.

▲ La forme de surface et le comportement de dépôt des ions zinc de l’électrode en métal de zinc dont la surface a été modifiée par le procédé d’anodisation par cycle, et l’électrode en métal de zinc dont la surface a été modifiée bloquent le contact avec l’électrolyte en raison du film d’oxyde de zinc et induisent des ions de zinc vers le bas. Un dépôt horizontal a lieu.

L’équipe de recherche a fondamentalement supprimé l’apparition de dendrite pendant la réaction électrochimique en formant une forme dans laquelle des pyramides hexagonales sont disposées sur la surface du métal de zinc grâce à cette méthode. Selon le procédé d’anodisation cyclique, la partie supérieure de la forme pyramidale hexagonale est épaisse et la partie latérale est finement recouverte d’oxyde de zinc. Cet écart d’épaisseur amène le métal de zinc à s’accumuler sur le côté relativement mince de l’oxyde de zinc.

La dendrite est un problème car elle s’accumule dans une direction verticale sur la surface métallique. Cette technologie, qui permet à un film de métal de zinc de croître dans une direction horizontale sur la surface de l’électrode, a pu supprimer efficacement la génération de dendrite. En outre, le film d’oxyde de zinc formé sur la surface a été empêché d’être corrodé en bloquant le contact direct avec l’électrolyte.

▲ (A) Courbes de tension à différentes densités de courant pour une cellule symétrique constituée d’une électrode en métal de zinc et d’une électrode en métal de zinc avec une surface modifiée (B) Zinc comprenant une cathode en métal de zinc et une cathode en métal de zinc avec une modification de surface Comparaison de la capacité de décharge de la batterie au dioxyde de manganèse

La batterie secondaire en zinc métallique développée est à 100% pendant 1000 cycles même si elle continue à être chargée et déchargée dans des conditions sévères (9000 mA / g, pleine charge et décharge de la capacité totale en environ 2 minutes) en raison de la stabilité structurelle et électrochimique. La dose a été maintenue à proximité.

Sur la base de cette stabilité, l’équipe de recherche a fabriqué des batteries secondaires en métal zinc sous forme de fibres souples. Cette batterie peut être pliée librement, et elle peut être appliquée sous forme de vêtements ou de sacs en la fabriquant en tissu.

▲ Méthode de fabrication de la batterie fibreuse au zinc métal ionique

Le chercheur principal Lee Joong-ki a déclaré: «La batterie secondaire en métal zinc haute performance développée dans cette étude a bloqué les facteurs de risque potentiels qui peuvent survenir lorsque la batterie lithium-ion existante entre en contact avec le corps humain. Il devrait attirer l’attention en tant que batterie secondaire de nouvelle génération sûre et respectueuse de l’homme, sans risque d’explosion ou d’incendie avec d’excellentes performances électrochimiques. »

Dans cette étude, un assemblage structurel nano / micro-zinc en forme de pyramide hexagonale recouvert d’un film d’oxyde de zinc a été fabriqué par la méthode d’anodisation par cycle, et la réversibilité et la stabilité de l’électrode en métal de zinc ont été efficacement améliorées en raison des caractéristiques structurelles uniques. Les batteries au zinc-ion utilisant du zinc modifié comme électrode négative devraient devenir une batterie de nouvelle génération capable de remplacer les batteries au lithium-ion existantes.

De plus, la méthode d’anodisation par cycle développée par l’équipe de recherche devrait améliorer efficacement la stabilité des électrodes et les performances électrochimiques en même temps qu’elle est appliquée pour contrôler la forme de la surface d’autres électrodes métalliques et simplifier le processus de revêtement.

▲ Comparaison de la densité de puissance et de la densité d’énergie de divers types de batteries commerciales conventionnelles et de batteries au zinc ionique, y compris l’électrode en métal de zinc modifiée en surface de cette étude

D’autre part, des batteries à ions zinc à haute sécurité peuvent également être fabriquées sous forme de fibres flexibles. De plus, la batterie zinc-ion fabriquée dans cette étude présente d’excellentes performances électrochimiques par rapport à d’autres types de batteries secondaires disponibles dans le commerce en termes de densité de puissance et de capacité par unité de poids. Il devrait être utilisé comme dispositif de stockage d’énergie portable pour créer une industrie à haute valeur ajoutée dans la 4ème ère industrielle.

Cette recherche a été menée avec le soutien du ministère de la Science, des TIC et des TIC en tant que projet majeur pour le KIST et le soutien aux chercheurs de taille moyenne, et les résultats de l’étude ont été publiés dans le dernier numéro de «  Advanced Functional Materials  », une revue internationale dans le domaine de la science des matériaux.

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Journaliste Oh Sang-mi osm@mtnews.net

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