Une batterie aqueuse utilisant un électrolyte de pH 7 et adaptée à l'élimination directe dans l'environnement

Pourquoi des batteries à base d'eau plus sûres comptent

La plupart des batteries rechargeables d'aujourd'hui reposent sur des liquides inflammables ou des acides et bases agressifs, ce qui pose des problèmes de sécurité et d'environnement. Cette étude explore un nouveau type de batterie à base d'eau qui fonctionne dans une solution douce, quasiment neutre — d'acidité comparable à celle de l'eau potable ou de la saumure utilisée pour fabriquer du tofu. Parce que le liquide est peu agressif et que les composés solides évitent les métaux lourds, ces batteries visent à stocker l'énergie pendant très longtemps puis à être jetées sans nuire à l'environnement.

Les problèmes des batteries aqueuses actuelles

Les batteries à base d'eau, ou « aqueuses », sont depuis longtemps perçues comme une alternative plus sûre aux cellules lithium-ion classiques parce que l'eau ne s'enflamme pas. Cependant, la plupart des conceptions existantes utilisent des liquides soit assez acides soit fortement alcalins. Dans ces conditions, l'eau se décompose en hydrogène et oxygène aux surfaces des électrodes. Cela gaspille de l'énergie, assèche progressivement la cellule et forme des bulles qui abîment les électrodes. Quand de telles batteries sont jetées, leurs liquides corrosifs peuvent aussi endommager les sols et les cours d'eau. Les auteurs se sont donné pour objectif de concevoir une batterie qui conserve les avantages de l'eau, mais fonctionne à un pH d'environ 7, proche de la neutralité, pour réduire ces réactions parasites.

Un nouveau liquide doux et des matériaux solides adaptés

L'équipe a choisi des sels courants de magnésium et de calcium — MgCl₂ et CaCl₂ — comme base du liquide à l'intérieur de la batterie. Ces sels forment des solutions concentrées capables de stocker et de transporter beaucoup de charge, tout en restant presque neutres et étant déjà utilisés sans danger dans l'industrie alimentaire. Pour fonctionner avec ces liquides, les chercheurs ont synthétisé une famille de solides organiques poreux, appelés polymères organiques covalents, pour servir d'électrode négative. En modifiant légèrement la liaison chimique qui unit les blocs de construction de ces polymères, ils ont pu ajuster la facilité avec laquelle le matériau accepte et relâche des électrons et l'affinité qu'il exerce pour les ions magnésium ou calcium. Une version, nommée Hex-TADD-COP, s'est distinguée parce qu'elle combinait un transport de charge rapide, une bonne stabilité thermique et une faible tension de fonctionnement, ce qui est souhaitable pour l'associer à des électrodes positives de haute tension.

Comment la nouvelle batterie stocke la charge

Dans le polymère choisi, les unités répétées contiennent des atomes d'azote disposés de façon à pouvoir momentanément capturer et relâcher des ions magnésium ou calcium lorsque la batterie se charge et se décharge. À l'aide d'une combinaison de modélisation informatique et de plusieurs types de spectroscopies, les chercheurs ont montré que ces sites azotés coordonnent réversiblement les ions divalents sans déchirer le polymère. Fait crucial, le liquide quasiment neutre contient très peu de protons libres, de sorte que les ions hydrogène jouent presque aucun rôle dans le processus de stockage de charge. Des expériences en solutions plus acides ont révélé que, lorsque des protons supplémentaires sont présents, ils déclenchent des réactions indésirables, forment des dépôts isolants à la surface de l'électrode et raccourcissent rapidement la durée de vie de l'appareil. À pH 7, en revanche, l'électrode conserve plus de 70 % de sa capacité même après environ 120 000 cycles rapides charge–décharge, une durée de vie exceptionnellement longue pour une batterie aqueuse.

Assemblage d'une cellule complète et test de longévité

Pour démontrer un dispositif complet fonctionnel, l'équipe a associé la nouvelle électrode négative polymère à une électrode positive fabriquée à partir d'un composé de type bleu de Prusse contenant du cuivre et du fer. Dans les solutions de sels de magnésium ou de calcium neutres, cette paire a produit une tension de fonctionnement allant jusqu'à environ 2,2 volts — élevée pour une batterie multivalente à base d'eau. Lorsque la masse totale des électrodes et du liquide est prise en compte, les cellules ont délivré des énergies spécifiques d'environ 40–50 wattheures par kilogramme, comparables ou supérieures à de nombreux autres systèmes au magnésium ou au calcium. Tout aussi important, les cellules complètes ont préservé une capacité utile sur 120 000 cycles à courant élevé, et des prototypes en pochette avec des électrodes plus épaisses ont également fonctionné de manière stable sur des milliers de cycles, laissant entrevoir un potentiel pratique.

Ce que cela signifie pour un stockage d'énergie plus propre

L'étude montre qu'il est possible de construire une batterie rechargeable durable qui utilise une solution saline neutre de qualité alimentaire et une électrode négative organique conçue pour éviter des réactions secondaires destructrices. En maintenant le pH proche de 7 et en s'appuyant sur des éléments abondants et non toxiques tels que le magnésium, le calcium, le carbone, l'azote et le fer, les auteurs créent un dispositif qui peut, en principe, être jeté sans traitement spécial tout en respectant des normes environnementales strictes. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour augmenter encore la densité énergétique et optimiser la production à grande échelle, cette approche ouvre la voie à des batteries plus sûres et plus écologiques pour des applications où une longévité extrême et un faible impact environnemental priment sur l'extraction de la moindre unité d'énergie.

Citation: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

Mots-clés: batteries aqueuses, stockage d'ions magnésium, batteries aux ions calcium, électrolytes neutres, polymères organiques covalents