Des chercheurs chinois ont considérablement amélioré les performances des batteries sodium-ion en méthylant les électrolytes hydrogels, augmentant ainsi leur absorption de sel et leur stabilité. Cette avancée améliore non seulement l’efficacité de ces batteries respectueuses de l’environnement, mais ouvre également de nouvelles possibilités d’utilisation des hydrogels dans diverses technologies.
Les batteries à eau flexibles couramment utilisées dans les appareils électroniques portables comprennent généralement un électrolyte hydrogel composé d'eau et de sel. Une équipe de recherche chinoise a réalisé des progrès significatifs dans l’amélioration de la stabilité saline des hydrogels dans les batteries sodium-ion. Ils ont méthylé le polymère structurel de l'hydrogel, ce qui a empêché le relargage, améliorant ainsi la capacité et les performances de cyclage de la batterie.
Les résultats de leurs recherches ont été récemment publiés dans la revue AngewandteChemie.
Les batteries sodium-ion sont une alternative prometteuse aux batteries lithium-ion car elles contiennent des matériaux moins chers et plus respectueux de l'environnement que les batteries lithium-ion. Cependant, les nouvelles batteries nécessitent le développement de nombreux nouveaux composants, qui doivent tous être adaptés aux ions sodium. L’un des composants les plus fondamentaux est l’électrolyte, qui prend souvent la forme d’un hydrogel dans des batteries minces et flexibles. Ces matériaux flexibles contenant de l'eau absorbent les sels de sodium dissous et conduisent les ions.
Bien que les hydrogels conviennent, un problème non résolu est l’apparition d’une séparation de phases et d’un relargage aux concentrations élevées de sel requises pour une large fenêtre de stabilité électrochimique. Cui Guanglei et ses collègues de l'Institut de l'énergie de Qingdao, de l'Académie chinoise des sciences, ont désormais amélioré avec succès les hydrogels des batteries sodium-ion afin qu'elles puissent absorber plus de sel de manière stable et sûre.
Pour y parvenir, ils ont utilisé une technique également utilisée dans la nature pour réguler la liaison eau-sel de grosses macromolécules biologiques : la méthylation. Dans les protéines, la méthylation provoque un « coiffage » des groupes amine et amide, réduisant ainsi l'accessibilité des molécules d'eau aux liaisons croisées et à la solubilisation des ions sel dans la structure protéique.
Étant donné que les polymères polyamides utilisés dans les hydrogels contiennent également des groupes amide, leur réticulation importante par les molécules d'eau peut entraîner un relargage et donc une décomposition de l'électrolyte. Dans cette optique, l’équipe a comparé les hydrogels fabriqués à partir de polyamides ordinaires avec ceux fabriqués à partir de polyamides contenant des groupes amide méthylés. Cette dernière absorbe nettement plus de sel que la variante originale. L'électrolyte hydrogel reste transparent et stable même lorsque les concentrations de sel atteignent des niveaux record.
Une teneur en sel plus élevée signifie que la plage de tension électrochimiquement disponible de la batterie peut être élargie. De plus, l’équipe n’a observé aucun signe de désintégration des électrodes, la stabilité du cycle était meilleure et la batterie assemblée avait une capacité supérieure à celle de son homologue non méthylée. Dans ce système, même une feuille d’aluminium bon marché peut être utilisée comme collecteur de courant.
Les auteurs suggèrent que la simple méthylation du polyamide pourrait également être utilisée dans d’autres technologies, telles que le développement de médicaments, pour rendre les hydrogels plus tolérants au sel et donc plus stables.