Le superoxyde donne du lithium

Laboratoire national DOE/Argonne

image : La correspondance de réseau entre LiO2 et Ir3Li peut être responsable du produit de décharge LiO2 trouvé pour le matériau cathodique Ir-rGO.Voir plus

Crédit : Argonne/Larry Curtiss

Alors que les batteries lithium-ion ont transformé notre vie quotidienne, les chercheurs tentent actuellement de trouver de nouvelles compositions chimiques qui pourraient offrir des possibilités énergétiques encore meilleures. L’une de ces chimies, le lithium-air, pourrait promettre une plus grande densité énergétique mais présente également certains inconvénients.

Aujourd'hui, grâce aux recherches menées au Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), l'un de ces inconvénients a peut-être été surmonté.

Tous les travaux antérieurs sur les batteries lithium-air montraient le même phénomène : la formation de peroxyde de lithium (Li2O2), un précipité solide qui obstruait les pores de l'électrode.

Cependant, dans une expérience récente, les scientifiques de la batterie Argonne, Jun Lu, Larry Curtiss et Khalil Amine, ainsi que des collaborateurs américains et coréens, ont pu produire du superoxyde de lithium cristallisé stable ((LiO2) au lieu du peroxyde de lithium pendant la décharge de la batterie. Contrairement au peroxyde de lithium, le superoxyde de lithium peut facilement se dissocier en lithium et en oxygène, conduisant à un rendement élevé et à une bonne durée de vie.

"Cette découverte ouvre réellement la voie au développement potentiel d'un nouveau type de batterie", a déclaré Curtiss. "Bien que beaucoup plus de recherches soient nécessaires, la durée de vie de la batterie est ce que nous recherchions."

Le principal avantage d'une batterie à base de superoxyde de lithium, expliquent Curtiss et Amine, est qu'elle permet, du moins en théorie, de créer une batterie lithium-air constituée de ce que les chimistes appellent un « système fermé ». Les systèmes ouverts nécessitent un apport constant d’oxygène supplémentaire provenant de l’environnement, contrairement aux systèmes fermés, ce qui les rend plus sûrs et plus efficaces.

"La stabilisation de la phase superoxyde pourrait conduire au développement d'un nouveau système de batterie fermé basé sur le superoxyde de lithium, qui a le potentiel d'offrir véritablement cinq fois la densité énergétique du lithium-ion", a déclaré Amine.

Curtiss et Lu ont attribué la croissance du superoxyde de lithium à l'espacement des atomes d'iridium dans l'électrode utilisée dans l'expérience. "Il semble que l'iridium servira de bon modèle pour la croissance du superoxyde", a déclaré Curtiss.

"Cependant, ce n'est qu'une étape intermédiaire", a ajouté Lu. "Nous devons apprendre à concevoir des catalyseurs pour comprendre exactement ce qu'implique les batteries lithium-air."

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Les chercheurs ont confirmé l'absence de peroxyde de lithium en utilisant la diffraction des rayons X fournie par Advanced Photon Source, une installation utilisateur du bureau scientifique du DOE située à Argonne. Ils ont également reçu du temps sur le supercalculateur Mira de l'Argonne Leadership Computing Facility, qui est également une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE. Les chercheurs ont également effectué une partie des travaux au Centre d'Argonne pour les matériaux à l'échelle nanométrique, qui est également un centre d'utilisateurs du Bureau des sciences du DOE.

Une étude basée sur cette recherche est parue dans le numéro du 11 janvier de Nature.

Les travaux ont été financés par l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables et l'Office of Science du DOE.

Le Laboratoire national d'Argonne cherche des solutions aux problèmes nationaux urgents en matière de science et de technologie. Premier laboratoire national du pays, Argonne mène des recherches scientifiques fondamentales et appliquées de pointe dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Les chercheurs d'Argonne travaillent en étroite collaboration avec des chercheurs de centaines d'entreprises, d'universités et d'agences fédérales, étatiques et municipales pour les aider à résoudre leurs problèmes spécifiques, à faire progresser le leadership scientifique américain et à préparer la nation à un avenir meilleur. Avec des employés provenant de plus de 60 pays, Argonne est gérée par UChicago Argonne, LLC pour le compte de l'Office of Science du ministère américain de l'Énergie.

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