Des batteries au zinc à base d’eau lèvent un obstacle majeur au stockage d’énergie renouvelable, économique et stable

Le défi du stockage des énergies propres

Les technologies liées aux énergies renouvelables, telles que les cellules solaires et les éoliennes, connaissent un déploiement croissant dans de nombreux pays à travers le monde. Stocker de manière fiable l’électricité produite par ces dispositifs s’avère essentiel pour une utilisation différée, particulièrement lorsque la lumière du soleil ou le vent viennent à manquer. Une telle capacité de stockage permettrait d’améliorer considérablement l’efficacité de ces solutions énergétiques présentées comme durables.

Une voie prometteuse pour emmagasiner l’énergie solaire et éolienne repose sur l’utilisation de batteries aqueuses au zinc métallique (Zn). Ces accumulateurs présentent de multiples atouts : ils sont considérés comme peu coûteux, sécurisés et respectueux de l’environnement. Le principe consiste à stocker et libérer l’énergie en tirant parti de solutions à base d’eau et d’anodes en zinc.

Malgré ce potentiel théorique, les batteries au zinc n’ont pas encore atteint les niveaux d’efficacité et de stabilité à long terme espérés par l’industrie. Ce déficit de performance s’explique par deux phénomènes physiques survenant lors de leur fonctionnement : les molécules d’eau peuvent se décomposer de manière indésirable, tandis que de petites structures appelées dendrites de zinc se forment à la surface des électrodes en zinc. Ces deux facteurs ont été identifiés comme réduisant considérablement le rendement global.

Une avancée chimique au cœur du laboratoire

Pour contourner cet obstacle, des chercheurs de l’Université du Maryland et du Brookhaven National Laboratory ont récemment conçu de nouvelles solutions d’électrolytes aqueux. Leurs travaux visent précisément à améliorer les performances des batteries au zinc. Ces formules inédites, présentées dans un article publié au sein de la revue Nature Nanotechnology, associent l’eau à des sels minutieusement sélectionnés. Ce mélange spécifique permet aux ions chargés négativement, c’est-à-dire les anions, de se rapprocher des ions zinc, stabilisant ainsi la structure moléculaire qui se forme autour des anodes en zinc.

Chunsheng Wang, l’auteur principal de l’étude, a détaillé la progression de leurs recherches lors d’un entretien accordé au média Tech Xplore. « Nous avons développé des électrolytes eau-dans-sel qui ont étendu la fenêtre de stabilité électrochimique des électrolytes aqueux à 3,0V, permettant aux batteries au Zn d’atteindre une longue durée de vie en cycle », a-t-il déclaré pour souligner le point de départ de leur réflexion.

Le scientifique nuance aussitôt les limites de cette première génération d’électrolytes avant d’introduire leur trouvaille récente. « Cependant, les électrolytes eau-dans-sel augmentent le coût et la viscosité et réduisent la conductivité ionique. Dans ce travail, nous avons développé des électrolytes aqueux à faible concentration qui fonctionnent de manière similaire à l’eau-dans-sel, avec une faible viscosité, un faible coût et une conductivité élevée », précise l’expert.

Le secret des anions fluorés et des nombres donneurs

L’objectif central de ces récents travaux, menés par le docteur Dejian Dong au sein du groupe de recherche de Chunsheng Wang, consistait à concevoir de nouveaux électrolytes capables de prolonger la durée de vie en cycle et d’augmenter l’efficacité des batteries au zinc, le tout sans faire grimper les coûts de production. Les solutions qu’ils ont créées contiennent de l’eau et des sels dotés de nombres donneurs spécifiques, ces derniers influençant directement la manière dont ils interagissent avec les ions zinc.

Le docteur Dong, qui s’inscrit comme le premier auteur de l’article, explicite la mécanique moléculaire à l’œuvre dans leur invention. « Nous avons conçu des électrolytes avec des anions fluorés qui interagissent non seulement avec le Zn²⁺ mais aussi avec les molécules d’eau environnantes dans la structure de solvatation secondaire, formant une ‘gaine de solvatation secondaire pontée par des anions' », indique-t-il minutieusement.

Cette architecture inédite joue un rôle protecteur fondamental pour le système. « Cette structure aide à protéger le Zn des réactions secondaires induites par l’eau, permet une interphase plus stable et maintient de bonnes propriétés de transport », ajoute le chercheur. L’équipe a réalisé que les électrolytes aqueux contenant des sels dont les nombres donneurs dépassent la valeur de 18 améliorent nettement les interactions ioniques au sein des batteries. Ces nombres donneurs, qui font figure d’indicateurs de la basicité de Lewis en chimie, incitent à la formation d’une structure moléculaire plus stable autour du zinc. L’effet immédiat est la réduction de la formation de dendrites de zinc et la stimulation des performances globales de la batterie.

Une efficacité mesurée à 99,99 % en laboratoire

L’innovation apportée par l’équipe universitaire réside dans un changement de paradigme concernant la gestion des couches protectrices autour des ions. Jusqu’à présent, les approches traditionnelles se heurtaient à des blocages structurels profonds. « La conception actuelle des électrolytes, en régulant la couche de solvatation primaire, fait face au défi d’améliorer une propriété tout en sacrifiant les autres », souligne le docteur Dejian Dong en analysant les méthodes précédentes.

Pour contourner cet écueil, les chercheurs ont ciblé une zone d’interaction différente à l’échelle nanométrique. « L’innovation clé de ce travail est de surmonter la limitation de la conception des électrolytes aqueux en régulant la structure de solvatation secondaire, ce qui peut améliorer simultanément toutes les propriétés de l’électrolyte », affirme le premier auteur avec conviction.

Afin de valider ces hypothèses théoriques, les scientifiques ont intégré leurs électrolytes nouvellement conçus dans des batteries au zinc, avant de les soumettre à des séries d’expériences en laboratoire. Les observations documentées traduisent une nette évolution : les expérimentateurs ont découvert que les batteries atteignaient une efficacité coulombique remarquable de 99,99 % sur une période de 1 000 cycles de fonctionnement. Les mesures indiquent des densités d’énergie s’élevant jusqu’à 130 Wh/kg pour ces dispositifs.

Vers un déploiement commercial à grande échelle

Cette récente étude dégage des horizons inédits pour l’avancement des batteries au zinc. La stratégie de conception mise au point par l’équipe pourrait prochainement servir à élaborer d’autres électrolytes aqueux, intégrant des concentrations similaires de sels dotés de nombres donneurs appropriés. Chunsheng Wang mesure la portée de cette proposition pour l’ingénierie des matériaux de demain. « Notre étude offre une nouvelle perspective pour la conception des électrolytes, offrant une voie pour maintenir simultanément une conductivité ionique élevée, un faible coût et une stabilité interfaciale améliorée », observe l’auteur principal. « Plus largement, cela pourrait avoir des implications importantes pour un large éventail de systèmes de stockage d’énergie électrochimique », poursuit-il.

À l’avenir, les électrolytes aqueux développés par Chunsheng Wang et ses collègues pourraient faciliter la commercialisation ainsi que le déploiement à grande échelle de batteries au zinc performantes, sûres et à faible coût. Ces accumulateurs pourraient, à leur tour, rendre le stockage de l’énergie issue des technologies renouvelables beaucoup plus abordable et accessible aux gestionnaires de réseau électrique.

L’équipe scientifique prépare la phase suivante de son programme de recherche fondamental. « Dans nos prochaines études, nous prévoyons d’étendre ce concept à d’autres types de systèmes d’électrolytes. Nous emploierons également des techniques de caractérisation avancées et des approches théoriques pour acquérir une compréhension plus profonde des processus interfaciaux et de leurs mécanismes sous-jacents », annoncent les chercheurs. Les détails de ces découvertes sont compilés dans la publication de Dejian Dong et de ses confrères, intitulée « Aqueous electrolyte solutions with anion-bridged secondary solvation sheaths for highly efficient zinc metal batteries », rendue publique dans Nature Nanotechnology (2026), avec l’identifiant DOI : 10.1038/s41565-026-02148-7.

Selon la source : techxplore.com