La batterie zinc-ion imprimée en 3D de l’UCLA stocke 7 fois plus d’énergie

Une équipe de recherche dirigée par l’UCLA a utilisé l’impression 3D pour fabriquer une électrode en carbone poreux qui permet à une batterie hybride au zinc-ion de stocker plus de sept fois la charge de dispositifs comparables, tout en conservant 82 % de cette capacité après 1 500 cycles de charge. L’étude, publiée dans la revue Small, a été menée par les coauteurs correspondants Maher El-Kady et Ric Kaner, ainsi que par la première auteure, Sophia Uemura.

Une électrode en nid d’abeille

Ce dispositif combine deux modes de stockage d’énergie au sein d’une même cellule hybride. L’une des bornes se comporte comme une électrode classique de batterie lithium-ion. L’autre est une électrode en carbone similaire à celle que l’on trouve dans un supercondensateur, une technologie qui se charge et se décharge rapidement et dure plusieurs décennies, mais qui stocke relativement peu d’énergie car elle ne peut retenir la charge qu’à la surface de ses électrodes.

Pour contourner cette limitation, l’équipe a imprimé en 3D l’électrode de carbone avec une structure interne en nid d’abeille, à l’aide d’une résine qui se solidifie sous l’action d’un laser UV. Après avoir chauffé et gazéifié la structure imprimée afin de ne laisser que du carbone conducteur criblé de cavités ouvertes, les chercheurs l’ont chargée d’oxyde de vanadium, un matériau doté d’une grande capacité de stockage d’énergie. La surface obtenue est suffisamment grande pour qu’un seul gramme, à plat, couvre environ dix courts de tennis.

« La méthode que nous avons utilisée nous permet de construire n’importe quel support 3D, couche par couche, et d’en contrôler la microstructure », a déclaré Ric Kaner, co-auteur correspondant et professeur émérite de chimie, de biochimie, ainsi que de science et d’ingénierie des matériaux à l’UCLA. « Nous pouvons en effet obtenir des milliards et des milliards de ces minuscules trous, ce qui génère une surface interne énorme. Cela signifie que nous pouvons stocker une grande quantité de charge. »

Le stockage à base de zinc présente également un intérêt en termes de coût et de durabilité : le zinc est environ 100 fois plus abondant que le lithium, et plus facile à extraire et à recycler. « À un moment donné, nous devrons chercher une solution pour compléter les options actuelles de stockage d’énergie à l’échelle du réseau », a déclaré El-Kady, chercheur assistant au département de chimie et de biochimie de l’UCLA.

De gauche à droite, Maher El-Kady, co-auteur correspondant, Sophia Uemura, première auteure, et Ric Kaner, co-auteur correspondant. (Crédit photo : Julia Hu et Hai Co Tiet)

Une deuxième contribution

Outre la batterie elle-même, l’équipe a mis au point une cellule d’essai imprimée en 3D, dotée d’un couvercle hermétique et d’un espacement fixe entre les électrodes, conçue pour remplacer les montages à bécher ouverts encore courants dans les laboratoires spécialisés dans les batteries. L’évaporation de l’électrolyte et le positionnement irrégulier des électrodes rendent les tests en bécher peu fiables à long terme. Dans la cellule imprimée de l’UCLA, les électrodes en carbone standardisées ont conservé 98 % de leur charge après 1 500 cycles, contre une défaillance en moins de 100 cycles dans un montage conventionnel à cellule ouverte.

« C’est un concept qui, nous l’espérons, pourra être utile à d’autres chercheurs du domaine en les aidant à obtenir des mesures plus cohérentes et des données fiables pour leurs dispositifs », a déclaré Uemura, qui a récemment obtenu son doctorat à l’UCLA. « L’un des aspects passionnants de l’impression 3D est son accessibilité grandissante. Dans ce cas précis, toute personne ayant accès à une imprimante 3D pourra fabriquer une cellule d’essai comme la nôtre et l’adapter à ses propres travaux. »

Il s’agit davantage d’une avancée en matière d’outillage de recherche que d’un dispositif à proprement parler, mais elle n’en reste pas moins remarquable : contrairement aux cellules d’essai en verre préfabriquées, dont le prix s’élève à 1 000 dollars ou plus, une version imprimée est à la portée de n’importe quel laboratoire disposant d’une imprimante 3D.

Cette étude a été menée dans le cadre d’une collaboration entre l’UCLA et l’Université nationale Tsing Hua de Taïwan, grâce à un financement provenant d’une subvention « Climate Action Seed Grant » de l’Université de Californie, de Nanotech Energy Inc. et de la chaire « Dr. Myung Ki Hong » en innovation des matériaux de l’UCLA. Lisez l’étude complète ICI.

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*Crédits photo de couverture : Maher El-Kady/UCLA