Nouveau concept pour les batteries lithium-air
Un projet de recherche en Allemagne vise à améliorer la stabilité de ce nouveau type de batterie
Les batteries lithium-air, également connues sous le nom de batteries lithium-oxygène, sont des candidats pour la prochaine génération de dispositifs de stockage d'électricité à haute énergie. Leur capacité théorique de stockage de l'énergie est dix fois supérieure à celle des batteries lithium-ion classiques de même poids, mais elles ne sont pas encore suffisamment stables chimiquement pour constituer une solution fiable. Un nouveau projet de recherche collaborative auquel participe une équipe de l'université d'Oldenburg, en Allemagne, dirigée par le professeur de chimie Gunther Wittstock, teste un nouveau concept pour prolonger la durée de vie de ces cellules de batterie.
Une cellule de batterie lithium-air devant un banc d'essai.
Fraunhofer IFAM
Le projet, intitulé "Alternative materials and components for aprotic lithium-oxygen batteries : chemistry and stability of inactive components - AMaLiS 2.0", est dirigé par IOLITEC Ionic Liquids Technologies, une société basée à Heilbronn, en Allemagne. Le centre de recherche sur les batteries MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) de l'université de Münster et l'institut Fraunhofer pour les technologies de fabrication et les matériaux avancés IFAM de Brême y participent également. Le projet bénéficiera d'un financement d'environ 1,1 million d'euros du ministère fédéral de l'éducation et de la recherche sur une période de trois ans.
Les batteries lithium-air fonctionnent essentiellement de la même manière que les batteries classiques, mais dans ce type de batterie, la réaction des ions lithium avec l'oxygène de l'air au niveau de l'électrode positive est utilisée pour produire de l'électricité. Le grand avantage est que les batteries lithium-air peuvent stocker presque autant d'énergie par kilogramme que les combustibles fossiles. Cela signifie qu'elles ont une énergie spécifique similaire à celle des batteries actuelles, mais qu'elles pèsent beaucoup moins lourd, ce qui les rend intéressantes pour les voitures électriques ainsi que pour le stockage stationnaire de l'énergie. "Toutefois, avant d'en arriver là, il reste un certain nombre de problèmes techniques à résoudre", souligne M. Wittstock. L'un de ces problèmes est le manque d'électrolytes chimiquement stables à la fois à l'électrode positive et à l'électrode négative. Ces fluides ou solides conducteurs se trouvent dans la zone située entre les deux électrodes.
L'oxygène de l'air est réduit dans les batteries lithium-air
Dans les batteries lithium-air, l'une des électrodes est constituée de lithium métallique tandis que l'autre - appelée électrode de diffusion des gaz - est constituée d'un réseau poreux et d'un matériau conducteur où l'oxygène (O2) de l'air est réduit dans une réaction d'oxydo-réduction. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium chargés positivement se déplacent à travers l'électrolyte d'une électrode à l'électrode de diffusion de gaz, où ils se combinent à l'oxygène et aux électrons d'un circuit électrique externe pour former de l'oxyde de lithium. Cela génère un courant électrique qui peut être utilisé pour fournir de l'énergie aux appareils électriques. Pendant la charge, le lithium et l'oxygène se séparent à nouveau et les ions et les électrons se déplacent dans la direction opposée.
Pour accroître la stabilité de la batterie lithium-air, l'équipe du projet vise à concevoir une membrane qui sépare l'électrode positive de l'électrode négative, ce qui permettrait d'utiliser différents électrolytes de part et d'autre. "Cela permettrait d'élargir considérablement les options en matière d'électrolytes", explique le Dr Thomas Schubert, coordinateur du projet à l'IOLITEC. Les scientifiques prévoient de tester un séparateur doté d'un revêtement spécial sur chaque face, qui protège à la fois l'électrode de lithium et l'électrode de diffusion de gaz.
L'équipe d'Oldenburg dirigée par Wittstock utilise diverses méthodes, notamment la spectroscopie de surface et la microscopie électrochimique à balayage (SECM), pour étudier les processus à la surface du séparateur et des électrodes. IOLITEC développe la couche séparatrice en collaboration avec une équipe du centre de recherche sur les batteries MEET de l'université de Münster, dirigée par Verena Küpers. "Nous testons différents revêtements spécifiquement adaptés aux défis posés par chaque type d'électrode", explique Mme Küpers.
L'équipe MEET effectue également des mesures d'essai. Au Fraunhofer IFAM, une équipe dirigée par le Dr Daniela Fenske développe un nouveau type d'électrode de diffusion de gaz en carbure de titane nanostructuré. "Elle sera associée à une membrane spéciale qui empêche les composants parasites de l'air, tels que le dioxyde de carbone ou la vapeur d'eau, de pénétrer dans la cellule", explique Mme Fenske. L'objectif final des chercheurs est de développer un prototype qui prouve qu'un système stable et rechargeable est réalisable. Pour ce faire, ils prévoient de construire une cellule plate d'une surface de 25 centimètres carrés.
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