Lithium-Air: Une percée de la batterie Expliquée

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Dans la quête de batteries plus petites, plus durables et plus puissantes, les scientifiques ont essayé de nombreuses approches alternatives à la chimie des batteries. On vient peut-être de produire la percée qu’on attend.

La légende urbaine veut qu’il y ait eu une petite fuite dans une cellule de batterie que le chimiste Km Abraham testait dans son laboratoire en 1995, ce qui a fourni à la cellule une teneur en énergie beaucoup plus élevée que prévu. Plutôt que d’essayer de réparer la fuite, Abraham a enquêté et découvert la première batterie rechargeable au lithium-air (Li-air). Jusqu’à présent, cette découverte n’a conduit à aucun produit techniquement viable, mais un article publié dans Science d’un groupe de recherche de l’Université de Cambridge pourrait changer cela.

En 2008, Tesla a surpris les observateurs de l’industrie avec sa voiture Roadster électrique audacieuse qui fonctionnait avec des batteries lithium-ion (Li-ion) standard, le genre qui alimente tout, des smartphones aux ordinateurs portables en passant par les appareils photo et les jouets. Depuis lors, non seulement le marché des véhicules électriques s’est rapidement développé, mais l’autonomie moyenne des batteries qui les alimentent a également augmenté. Cependant, cette croissance doit s’accélérer: à partir de 1994, il a fallu 20 ans pour tripler le contenu énergétique d’une batterie Li-ion typique.

La nouvelle recherche, dirigée par les professeurs Gunwoo Kim et Clare Grey, a expérimenté des cellules Li-air qui utilisent uniquement un conducteur électronique, tel que du carbone poreux léger, au lieu d’un oxyde métallique généralement utilisé dans une batterie Li-ion. En pratique, cela permet d’économiser beaucoup de poids, mais apporte ses propres difficultés.

Fonctionnement des batteries Lithium-Air

Une cellule Li-air crée une tension à partir de la disponibilité de molécules d’oxygène (O2) à l’électrode positive. O2 réagit avec les ions lithium chargés positivement pour former du peroxyde de lithium (Li2O2) et générer de l’énergie électrique. Des électrons sont aspirés hors de l’électrode et une telle batterie est vide (déchargée) si plus de Li2O2 ne peut être formé.

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Théoriquement, une batterie Li-air est vide (déchargée) lorsque tous les pores de l’électrode positive (côté droit) sont remplis de peroxyde de lithium, illustré ici en se remplissant de haut en bas. Auteur fourni

Cependant, Li2O2 est un très mauvais conducteur d’électrons. Si des dépôts de Li2O2 se développent sur la surface de l’électrode qui fournit les électrons pour la réaction, cela amortit et finit par tuer la réaction, et donc la puissance de la batterie. Ce problème peut être résolu si le produit de réaction (peroxyde de lithium dans ce cas) est stocké à proximité de l’électrode mais ne l’enrobe pas.

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Les chercheurs de Cambridge ont trouvé une recette qui fait exactement cela – en utilisant un mélange d’électrolytes standard et en ajoutant de l’iodure de lithium (LI) comme additif. L’expérience de l’équipe comprend également une électrode plutôt spongieuse et moelleuse composée de nombreuses couches minces de graphène remplies de pores dilatés. Le dernier ingrédient important est une petite quantité d’eau.

Avec cette combinaison de produits chimiques, la réaction lors de la décharge de la batterie ne forme pas le Li2O2 qui remonterait la surface conductrice de l’électrode (voir l’image ci-dessous, côté gauche). Au lieu de cela, il incorpore de l’hydrogène extrait de l’eau (H2O) pour former des cristaux d’hydroxyde de lithium (LiOH). Ces cristaux remplissent la taille des pores de l’électrode de carbone pelucheuse, mais surtout ils ne recouvrent pas et ne bloquent pas la surface de carbone vitale qui génère l’alimentation en tension (côté droit). Ainsi, la présence d’iodure de lithium en tant que ”facilitateur” (bien que son rôle exact ne soit pas encore clair) et d’eau en tant que co-réactif dans le processus augmente la capacité de la batterie Li-air.

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Batteries Li-air avec du peroxyde de lithium (à gauche, bloquant l’électrode de carbone) et de l’hydroxyde de lithium (à droite, avec électrode débloquée) comme produits de décharge. Notez que la structure des pores de l’électrode n’est pas dessinée pour plus de simplicité. Auteur fourni

Comment Li-Air Va-t-Il Changer Les Choses?

Ce processus qui garantit que la surface de l’électrode reste claire est essentiel pour augmenter la capacité de la batterie. Cependant, l’inconvénient est que le même manque de contact électrique entre l’électrode et le produit de décharge qui augmente sa capacité devrait en principe rendre la recharge difficile.

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Encore une fois, il s’avère que l’additif d’iodure de lithium est l’ingrédient manquant nécessaire: à l’électrode, les ions iodure chargés négativement sont convertis en ions I3 (triiodure) (voir l’image, à droite). Ceux-ci se combinent avec les cristaux de LiOH et se dissolvent, permettant une recharge complète en nettoyant les pores.

Recharge des batteries Li-air. À gauche: le peroxyde de lithium doit être retiré de la surface du carbone. À droite: cycle d’iodure et de triiodure, où le triiodure dissout chimiquement l’hydroxyde de lithium, libérant les éléments afin qu’ils puissent être à nouveau combinés pour produire de l’électricité. Auteur fourni

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En fait ce mécanisme est encore plus efficace que la recharge de Li2O2 fixée à la surface de l’électrode. Comme les électrons n’ont pas besoin de traverser une couche de Li2O2, il faut moins de tension pour recharger une batterie Li-air avec l’additif iodé que sans elle. Il faut donc moins d’énergie pour recharger la batterie, ce qui rendrait une voiture électrique fonctionnant avec une telle batterie Li-air plus économe en énergie. Les auteurs de l’étude présentent des données qui approchent une efficacité énergétique d’environ 90% – ce qui rapproche cette nouvelle technologie de batterie de celle des batteries Li-ion conventionnelles.

Leurs résultats révèlent une voie prometteuse pour la technologie Li-air, à un moment où de nombreux autres groupes de recherche ont renoncé. À mesure que de plus en plus de chercheurs reviendront sur le sujet après cette percée, peut-être qu’une batterie Li-air commerciale deviendra enfin réalité.

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Harry Hoster, Directeur d’Energy Lancaster et professeur de Chimie physique à l’Université de Lancaster

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lisez l’article original.

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