La nouvelle conception de la batterie lithium-air pourrait offrir une autonomie beaucoup plus longue

Le schéma montre une cellule de batterie au lithium-air composée d’une anode au lithium métallique, d’une cathode à base d’air et d’un électrolyte polymère céramique solide (CPE). Lors de la décharge et de la charge, les ions lithium (Li+) passent de l’anode à la cathode, puis reviennent. (Image du Laboratoire national d’Argonne.)

De nombreux propriétaires de voitures électriques ont souhaité une batterie capable d’alimenter leur véhicule sur plus de mille kilomètres avec une seule charge. Des chercheurs de l’Institut de technologie de l’Illinois (IIT) et du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont mis au point une batterie lithium-air qui pourrait faire de ce rêve une réalité. La nouvelle conception de batterie de l’équipe pourrait également un jour alimenter des avions nationaux et des camions long-courriers.

Le principal nouveau composant de cette batterie lithium-air est un électrolyte solide au lieu de la variété liquide habituelle. Les batteries à électrolytes solides ne sont pas soumises au problème de sécurité avec les électrolytes liquides utilisés dans les batteries lithium-ion et autres types de batteries, qui peuvent surchauffer et prendre feu.

« La batterie lithium-air a la densité d’énergie projetée la plus élevée de toutes les technologies de batterie envisagées pour la prochaine génération de batteries au-delà du lithium-ion. » — Larry Curtiss, membre émérite d’Argonne

Plus important encore, la chimie de la batterie de l’équipe avec l’électrolyte solide peut potentiellement augmenter la densité d’énergie jusqu’à quatre fois par rapport aux batteries lithium-ion, ce qui se traduit par une autonomie plus longue.

« Depuis plus d’une décennie, les scientifiques d’Argonne et d’ailleurs ont travaillé des heures supplémentaires pour développer une batterie au lithium qui utilise l’oxygène de l’air », a déclaré Larry Curtiss, un Argonne Distinguished Fellow. « La batterie lithium-air a la densité d’énergie projetée la plus élevée de toutes les technologies de batterie envisagées pour la prochaine génération de batteries au-delà du lithium-ion. »

Dans les anciennes conceptions lithium-air, le lithium dans une anode au lithium métallique se déplace à travers un électrolyte liquide pour se combiner avec l’oxygène pendant la décharge, produisant du peroxyde de lithium (Li2O2) ou du superoxyde (LiO2) à la cathode. Le peroxyde ou superoxyde de lithium est ensuite décomposé en ses composants lithium et oxygène pendant la charge. Cette séquence chimique stocke et libère de l’énergie à la demande.

Le nouvel électrolyte solide de l’équipe est composé d’un matériau polymère céramique fabriqué à partir d’éléments relativement peu coûteux sous forme de nanoparticules. Ce nouveau solide permet des réactions chimiques qui produisent de l’oxyde de lithium (Li2O) lors de la décharge.

« La réaction chimique du superoxyde ou du peroxyde de lithium n’implique qu’un ou deux électrons stockés par molécule d’oxygène, alors que celle de l’oxyde de lithium implique quatre électrons », explique le chimiste argonnais Rachid Amine. Plus d’électrons stockés signifie une densité d’énergie plus élevée.

La conception lithium-air de l’équipe est la première batterie lithium-air qui a réalisé une réaction à quatre électrons à température ambiante. Il fonctionne également avec de l’oxygène apporté par l’air du milieu environnant. La capacité de fonctionner avec de l’air évite le besoin de réservoirs d’oxygène pour fonctionner, un problème avec les conceptions antérieures.

L’équipe a utilisé de nombreuses techniques différentes pour établir qu’une réaction à quatre électrons se produisait réellement. Une technique clé était la microscopie électronique à transmission (TEM) des produits de décharge sur la surface de la cathode, qui a été réalisée au Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique d’Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les images TEM ont fourni des informations précieuses sur le mécanisme de décharge à quatre électrons.

Les anciennes cellules de test lithium-air souffraient de durées de vie très courtes. L’équipe a établi que cette lacune n’est pas le cas pour leur nouvelle conception de batterie en construisant et en faisant fonctionner une cellule de test pendant 1000 cycles, démontrant sa stabilité sur des charges et des décharges répétées.

« Avec de nouveaux développements, nous nous attendons à ce que notre nouvelle conception de la batterie lithium-air atteigne également une densité d’énergie record de 1200 wattheures par kilogramme », a déclaré Curtiss. « C’est près de quatre fois mieux que les batteries lithium-ion. »

Mohammad Asadi, professeur adjoint de génie chimique à l’Illinois Institute of Technology. Une batterie lithium-air à base de Li2O rechargeable à température ambiante activée par un électrolyte solide. Image reproduite avec l’aimable autorisation de l’ITI.

Cette recherche a été publiée dans un récent numéro de Science. Les auteurs d’Argonne incluent Larry Curtiss, Rachid Amine, Lei Yu, Jianguo Wen, Tongchao Liu, Hsien-Hau Wang, Paul C. Redfern, Christopher Johnson et Khalil Amine. Les auteurs de l’IIT incluent Mohammad Asadi, Mohammadreza Esmaeilirad et Ahmad Mosen Harzandi. Et les auteurs de l’Université de l’Illinois à Chicago incluent Reza Shahbazian-Yassar, Mahmoud Tamadoni Saray, Nannan Shan et Anh Ngo.

La recherche a été financée par le DOE Vehicle Technologies Office et le Office of Basic Energy Sciences par le biais du Joint Center for Energy Storage Research.

Avec l’aimable autorisation du Laboratoire national d’Argonne.

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