La batterie aqueuse rechargeable à insertion de protons : un nouveau concept de stockage éco-durable de l’énergie – AqReBat

Dans ce projet, nous proposons de substituer les ions alcalins (Li+, Na+, …) couramment utilisés dans les batteries rechargeables aqueuses à insertion d'ions par le proton, avec pour ambition principale de démontrer un tout nouveau concept de batterie rechargeable aqueuse qui soit éco-durable, de faible coût et de longue durée de vie. Pour cela nous comptons nous appuyer sur l’exploitation d’un couple de matériaux d’électrodes à base de d'oxydes métalliques abondants, peu couteux, et non toxiques que sont le TiO2 et le MnO2, tous deux capables de fournir des densités d'énergie et de puissance élevées en présence d’un électrolyte aqueux tamponné de pH doux non corrosif. Cette idée originale de batterie rechargeable à insertion de protons repose sur une découverte récente qui nous a permis de démontrer pour la première fois qu’il était possible d’insérer massivement, rapidement et réversiblement des protons dans du TiO2 amorphe mésoporeux immergé dans un milieu aqueux tamponné de pH neutre, un processus que nous avons pu également très récemment vérifier comme étant transposable à d’autres oxydes métalliques tel que le MnO2.

L’objectif premier du projet AqReBat porte sur la démonstration d’une preuve de concept de batterie aqueuse à insertion de protons basée sur l’association d’électrodes de TiO2 et de MnO2 dans une solution électrolytique tamponnée à pH neutre. Compte tenu des performances attendues et de ses nombreuses autres qualités (sûreté, faible coût, longue durée de vie, éco-compatibilité), cette batterie aqueuse rechargeable TiO2/MnO2 à insertion de protons a le potentiel non seulement d'être bénéfique dans le domaine des systèmes de stockage d'énergie à grande échelle connectés aux centrales électriques, mais aussi d'intéresser fortement le marché en pleine croissance des véhicules électriques.

Parallèlement, un second objectif du projet consistera à mieux comprendre les aspects fondamentaux sous-jacents qui régissent les processus d'insertion/désinsertion de protons couplés à des transferts de charges aux interfaces des oxydes métalliques comme TiO2 et MnO2, avec une attention toute particulière portée à l’influence de la nature et des constituants du tampon aqueux.
Dans l’hypothèse d’une validation du concept original de batterie rechargeable aqueuse à insertion de protons AqReBat, des retombées importantes sont attendues au sein de la communauté scientifique en ouvrant notamment la voie à un changement de paradigme en ce qui concerne la conception et le développement d'une large gamme de batteries à insertion de protons. De plus, les connaissances acquises dans la compréhension du mécanisme du stockage couplé électron-proton dans des oxydes métalliques en milieu tampon aqueux neutre de type « salt-in-water » et « water-in salt » permettront de promouvoir et stimuler le développement de batteries aqueuses à insertion de protons améliorées, mais aussi de fournir une nouvelle façon de penser le rôle fondamental joué par l'électrolyte dans les batteries aqueuses.