Le Slog se poursuit pour les Batteries Lithium-Air

Une nouvelle cathode pourrait améliorer la durée de vie de la batterie, mais les batteries lithium-air ne durent encore qu’environ deux mois

Pour les propriétaires de véhicules électriques, l’anxiété d’autonomie — la peur de manquer de courant avant la prochaine station de recharge — est réelle. Les constructeurs automobiles, désireux de commercialiser les véhicules électriques sur le marché de masse, recherchent depuis des années des alternatives pouvant stocker plus de charge que les batteries lithium-ion actuelles.

Une option est le lithium-air, et une équipe de chercheurs a inventé un nouveau type de cathode qui, selon eux, peut allonger la durée de vie de telles batteries. Dans une étude publiée dans Applied Catalysis B: Sur le plan environnemental, l’équipe de Corée du Sud et de Thaïlande décrit comment ils ont enduit des nanoflakes de sulfure de nickel-cobalt sur une cathode de graphène dopée au soufre. Le résultat: une électrode qui possède à la fois une conductivité électrique améliorée et une activité catalytique.

« C’est une approche de conception très intéressante », explique Harry Hoster, directeur d’Energy Lancaster, un institut de recherche britannique dédié aux technologies énergétiques.

Les batteries génèrent généralement de l’énergie électrique par une réaction redox. Dans le cas des batteries lithium-air, le lithium de l’anode s’oxyde tandis que les molécules d’oxygène sont réduites à la cathode. Le produit résultant est du peroxyde de lithium (Li2O2).

La cathode est censée être l’endroit où la magie se produit. Étant donné que l’oxygène peut être fourni en continu à partir de l’air plutôt que stocké en quantités finies dans la cellule, les batteries lithium-air peuvent théoriquement fournir une densité d’énergie 10 fois supérieure à celle de leurs cousins lithium-ion. Et plus le peroxyde de lithium s’accumule sur la cathode en graphite, plus la capacité de charge de la batterie est élevée.

La modification de la cathode de carbone avec du soufre permet au peroxyde de lithium de s’y coller plus facilement, explique Hoster. « Les atomes de soufre fournissent des points de colle locaux, des points d’ancrage pour les choses à coller », dit-il.

Le soufre apporte également des avantages supplémentaires à la batterie, explique le chimiste physique Sangaraju Shanmugam de l’Institut coréen des sciences et de la technologie Daegu Gyeongbuk et l’un des co-auteurs de l’article. Étant donné que les atomes de soufre sont de taille beaucoup plus grande par rapport à leurs homologues carbonés, le dopage au soufre de la cathode élargit la structure poreuse du réseau carboné, augmentant sa surface. « Lorsque cela se produit, les électrons peuvent mieux se déplacer dans le graphène et donc la conductivité électrique est améliorée », explique Shanmugam.

Le revêtement de la surface de la cathode avec des nanoflakes de sulfure de nickel-cobalt donne un coup de pouce supplémentaire en augmentant l’activité catalytique. « Le soufre interagit avec les sites métalliques du sulfure de nickel-cobalt, et il existe une forte interaction synergique entre la surface du graphène et les nanoflakes », explique Shanmugam.

Les paillettes forment également une couche protectrice entre la surface de la cathode et le produit de décharge de peroxyde de lithium résultant, qui est hautement corrosif. Le résultat est une cyclabilité de la batterie beaucoup améliorée — un peu plus de 1 700 heures, soit plus de deux mois — qui, selon Shanmugam, est « l’un des points les plus forts » de leur invention. La capacité de décharge spécifique est également « ultra élevée » à près de 14 200 milliampères heure par gramme (mAh / g). Un brevet est en instance en Corée pour cette nouvelle technologie.

« Les matériaux qu’ils ont proposés sont très, très intéressants…et il semble qu’ils soient les premiers à apporter cela à la communauté « , explique l’hébergeur de Lancaster. Mais il est prudent quant à l’optimisme des résultats.

Le système doit être testé de manière plus robuste, dit-il. Pour évaluer correctement l’activité électrocatalytique, les chercheurs auraient dû effectuer un voltammogramme cyclique (un type de test où une tension externe est appliquée et modifiée pour voir comment le courant de la batterie change en conséquence) à des vitesses élevées plutôt que faibles. De plus, l’expérience de décharge qu’ils ont menée est trop superficielle (s’arrêtant à une capacité spécifique de 1 000 mAh / g) pour être considérée comme un test de contrainte approprié, car « vous ne produisez pas beaucoup de produits secondaires qui provoquent la décoloration de la batterie à long terme », explique Hoster.

Il souligne également la faible efficacité de charge de la batterie, qui mesure la quantité d’énergie que vous obtenez par rapport à l’énergie que vous mettez dans la charge. La perte d’énergie peut résulter de la production de chaleur ou de réactions secondaires indésirables qui se produisent au niveau des électrodes. À environ 65%, c’est 15 à 25% de moins que ce à quoi nous nous attendions des batteries lithium-ion. C’est l’une des nombreuses préoccupations qui continuent de peser sur l’utilisation des batteries lithium-air. D’autres comprennent ce qu’il faut faire avec le sous-produit de peroxyde de lithium chimiquement agressif qui se forme, ce qui nécessite une tension de charge élevée pour éliminer, peut décomposer l’électrolyte et limiter par la suite la durée de vie d’une batterie.

L’anode au lithium pur pose également un problème. Très réactif, le lithium peut s’enflammer lorsqu’il est exposé à l’eau et à d’autres éléments. Ensuite, il y a la question de l’air lui-même. Bien que l’alimentation en oxygène des batteries fonctionne bien dans un laboratoire, ce n’est pas faisable pour les véhicules électriques circulant sur les routes. L’utilisation de l’air est l’objectif, mais vous devez d’abord éliminer les impuretés dommageables pour la batterie telles que le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau.

Ces défis de développement ont freiné l’enthousiasme pour les batteries lithium-air au cours des dernières années, des entreprises telles qu’IBM et le Joint Center for Energy Storage Research, financé par les États-Unis, abandonnant leurs recherches au profit d’autres types de batteries de nouvelle génération. Même l’Institution Faraday, au Royaume-Uni. l’institution qui a versé un million de £ 65 dans la recherche sur les batteries a décidé d’investir dans des batteries lithium-soufre plutôt que dans des batteries lithium-air lors de son dernier tour de financement, car elle pensait que le premier était « aussi risqué mais plus réaliste », explique Hoster.

« Cela a été une réalité qui donne à réfléchir…la batterie lithium-oxygène ressemble un peu à ce qu’est la fusion nucléaire dans les grandes technologies « , dit-il. « Il y a de grandes victoires potentielles, mais il y a beaucoup de choses à régler. »

Cependant, parce que les batteries lithium-air ont une densité d’énergie potentiellement 10 fois supérieure à celle des batteries lithium-ion traditionnelles, « il y a encore un gros match à jouer », explique Hoster.  » Mais il faut gérer les attentes. »