Nouveau design pour le lithium

De nouvelles batteries pourraient un jour alimenter les voitures, les avions et les camions

Laboratoire national DOE/Argonne

image : Le schéma montre une cellule de batterie 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.Voir plus

Crédit : (Image du Laboratoire national d'Argonne.)

De nombreux propriétaires de voitures électriques souhaitaient disposer d’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 développé 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 les avions nationaux et les camions long-courriers.

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

« La batterie lithium-air présente la densité énergétique 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, l'équipeLa chimie de la batterie avec l'électrolyte solide peut potentiellement augmenter la densité énergétique jusqu'à quatre fois par rapport aux batteries">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, membre émérite d'Argonne. "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 sa 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", a expliqué Rachid Amine, chimiste à Argonne. Plus d’électrons stockés signifie une densité d’énergie plus élevée.

La conception lithium-air de l'équipe est la première batterie lithium-air à avoir 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 avait réellement lieu. 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 des matériaux à l'échelle nanométrique d'Argonne, un établissement utilisateur du Bureau des sciences du DOE. 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’était pas le cas de leur nouvelle conception de batterie en construisant et en faisant fonctionner une cellule de test pendant 1 000 cycles, démontrant ainsi sa stabilité lors de charges et décharges répétées.

"Avec la poursuite du développement, nous prévoyons que notre nouvelle conception de batterie lithium-air atteindra également une densité énergétique record de 1 200 wattheures par kilogramme", a déclaré Curtiss. "C'est près de quatre fois mieux que les batteries lithium-ion. "