Une équipe de recherche dirigée par l’UCLA a mis au point une électrode imprimée en 3D dotée d’une structure creuse, ce qui a permis d’accroître la capacité des dispositifs de stockage d’énergie hybrides zinc-ion. Crédit : Maher El-Kady/UCLA
Le stockage de l’énergie solaire et éolienne pour répondre aux besoins croissants du réseau électrique exige des dispositifs capables de fournir et de se recharger rapidement, et de durer des décennies à faible coût. Une nouvelle étude menée par l’UCLA a mis au jour une technologie qui pourrait répondre à tous ces critères : une batterie hybride zinc-ion dotée d’une électrode imprimée en 3D, capable de stocker plus de sept fois la charge des batteries hybrides similaires.
Le stockage d’énergie à base de zinc plutôt que de lithium serait moins cher et plus durable car le zinc est 100 fois plus abondant, plus facile à extraire et plus facile à recycler.
« L’avenir du stockage d’énergie ne se résumera pas à une seule technologie », a déclaré Maher El-Kady, co-auteur de l’étude et chercheur adjoint au département de chimie et de biochimie de l’UCLA College. « À un moment donné, nous devrons trouver des solutions complémentaires aux options actuelles de stockage d’énergie à grande échelle. Cette étude nous a permis de développer des dispositifs hybrides zinc-ion capables de stocker une capacité presque dix fois supérieure. »
L’étude, publiée dans la revue Small , présente une seconde avancée rendue possible par l’impression 3D. Les chercheurs ont conçu une cellule de test pour le stockage d’énergie qui améliore le dispositif le plus couramment utilisé dans les laboratoires comme le leur pour quantifier les performances des appareils expérimentaux.
Beaucoup de charge à partir d’une petite borne
Le dispositif étudié repose sur une technologie hybride. Une borne fonctionne comme la partie stockage d’énergie d’une batterie lithium-ion classique. L’autre borne utilise une électrode de carbone similaire à celles des supercondensateurs, un mode de stockage d’énergie qui stocke beaucoup moins d’énergie mais se décharge et se recharge rapidement, et dont la durée de vie est estimée à plusieurs décennies.
Les supercondensateurs présentent des limitations de stockage car l’énergie ne peut être stockée qu’à la surface de leurs électrodes. L’équipe dirigée par l’UCLA a réussi à augmenter considérablement la densité énergétique grâce à deux méthodes : l’augmentation de la surface de leur électrode de carbone et son incorporation dans un matériau à forte capacité de stockage d’énergie, l’oxyde de vanadium.
L’électrode, conçue pour ressembler à un nid d’abeilles ou à une éponge, présentait de minuscules cavités. Elle a été fabriquée par impression 3D à partir d’une résine liquide qui se solidifie instantanément sous l’effet d’un laser UV. Les chercheurs ont ensuite soumis l’électrode à un traitement thermique et gazeux qui a permis d’obtenir uniquement du carbone conducteur perforé. Enfin, ils ont utilisé un procédé chimique pour déposer de l’oxyde de vanadium sur cette structure.
La surface du composant s’est tellement étendue que si l’on prenait un seul gramme et qu’on l’aplatissait comme une feuille de papier, il recouvrirait environ 10 courts de tennis.
« La méthode que nous avons utilisée nous permet de construire n’importe quelle structure 3D, couche par couche, et de contrôler sa microstructure », explique Ric Kaner, co-auteur principal de l’étude, professeur émérite de chimie et de biochimie, ainsi que de science et d’ingénierie des matériaux à l’UCLA, titulaire de la chaire Dr. Myung Ki Hong en innovation des matériaux et membre du California NanoSystems Institute de l’UCLA. « Nous pouvons en réalité créer des milliards et des milliards de ces minuscules cavités, ce qui génère une surface interne considérable. Cela signifie que nous pouvons stocker une grande quantité d’énergie. »
En plus de stocker plus de sept fois la charge des autres condensateurs, le dispositif de l’équipe a conservé 82 % de cette capacité après 1 500 cycles de décharge et de recharge.
Une contribution à la communauté de recherche sur les batteries
La méthode actuelle de test des technologies de stockage d’énergie en laboratoire est assez rudimentaire : elle consiste en une solution électrolytique et deux électrodes dans un bécher ouvert. Bien qu’il existe des cellules de test en verre préfabriquées, leur coût, de 1 000 $ et plus, incite les équipes de recherche à optimiser leurs ressources limitées en conservant le dispositif du bécher.
Malheureusement, ce dispositif présente deux inconvénients majeurs. L’électrolyte s’évapore avec le temps, ce qui entraîne une défaillance prématurée des batteries expérimentales. De plus, les variations de position des électrodes peuvent fausser les mesures. Il devient donc plus difficile de quantifier précisément les performances et de reproduire les résultats.
Dans cette étude, les chercheurs ont présenté un modèle de cellule de test imprimée en 3D, dotée d’un couvercle étanche pour empêcher l’évaporation des produits chimiques. Leur dispositif comprenait également des fentes permettant de maintenir les électrodes à une distance fixe.
« Nous espérons que ce concept sera utile à d’autres chercheurs du domaine, en les aidant à obtenir des mesures plus cohérentes et des données plus fiables pour leurs dispositifs », explique Sophia Uemura, première auteure de l’étude et récemment titulaire d’un doctorat de l’UCLA. « L’un des aspects les plus intéressants de l’impression 3D est son accessibilité croissante. Dans ce cas précis, toute personne ayant accès à une imprimante 3D pourra fabriquer une cellule de test similaire à la nôtre et l’adapter à ses propres travaux. »
Comparativement à un montage en bécher ouvert, les chercheurs ont démontré que leur cellule imprimée permettait des mesures de capacité et de résistance plus cohérentes. Après 1 500 cycles avec la cellule de test, les électrodes de carbone standardisées conservaient 98 % de leur charge, tandis que celles testées dans un montage en cellule ouverte classique étaient défectueuses en moins de 100 cycles.
