Progrès vers une nouvelle génération de piles rechargeables
Un médiateur redox améliore les performances et la durée de vie des batteries Li-O2
Les batteries lithium-air ont le potentiel de surpasser les batteries lithium-ion conventionnelles en stockant beaucoup plus d'énergie à poids égal. Cependant, leurs hautes performances sont restées théoriques jusqu'à présent et leur durée de vie demeure trop courte. Une équipe chinoise a proposé d'ajouter un catalyseur soluble à l'électrolyte. Il agit comme un médiateur redox qui facilite le transport des charges et contrecarre la passivation des électrodes.
Contrairement aux batteries lithium-ion, dans lesquelles les ions lithium sont "poussés" entre deux électrodes, les batteries lithium-air (Li-O2) utilisent une anode en lithium métallique. Lorsque la batterie est utilisée, les ions lithium chargés positivement se dissolvent et se déplacent vers la cathode poreuse, qui est traversée par de l'air. L'oxygène est oxydé et lié au peroxyde de lithium (Li2O2). Lors de la charge, l'oxygène est libéré et les ions lithium sont réduits en lithium métallique, qui se dépose à nouveau sur l'anode. Malheureusement, les performances théoriquement élevées de ces piles ne sont pas devenues réalité.
En pratique, un effet connu sous le nom de surpotentiel ralentit les réactions électrochimiques : la formation et la décomposition de Li2O2 insoluble sont lentes et sa conductivité est également très faible. De plus, les pores de la cathode ont tendance à se boucher, et le potentiel élevé nécessaire à la formation d'oxygène décompose l'électrolyte et favorise des réactions secondaires indésirables. Les batteries perdent alors la majeure partie de leurs performances après seulement quelques cycles de charge/décharge.
Une équipe dirigée par Zhong-Shuai Wu de l'Institut de physique chimique de Dalian de la CAS, en collaboration avec Xiangkun Ma de l'Université maritime de Dalian, a proposé d'ajouter un nouveau sel d'iodure d'imidazole (iodure de 1,3-diméthylimidazolium, DMII) pour agir comme catalyseur et médiateur redox afin d'améliorer les performances et la durée de vie des batteries.
Les ions iodure (I-) du sel peuvent facilement réagir pour former I3- et inversement (paire d'oxydoréduction). Dans ce processus, ils transfèrent des électrons à l'oxygène (décharge) et les reprennent (charge). Ce transport de charge facilité accélère les réactions, réduit le surpotentiel de la cathode et augmente la capacité de décharge de la cellule électrochimique. Les ions DMI+ du sel contiennent un anneau constitué de trois atomes de carbone et de deux atomes d'azote. Cet anneau a des électrons librement mobiles et peut "capturer" les ions lithium pendant la décharge et les transférer efficacement à l'oxygène de la cathode. En outre, les ions DMI+ forment un film d'interface ultrafin mais très stable sur l'anode, qui empêche le contact direct entre l'électrolyte et la surface du lithium, minimisant ainsi la décomposition de l'électrolyte et empêchant les réactions secondaires. Cela permet de stabiliser l'anode et d'augmenter la durée de vie de la batterie.
Les cellules d'essai électrochimiques produites par l'équipe étaient très prometteuses, démontrant un très faible surpotentiel (0,52 V), une grande stabilité du cycle sur 960 heures et une formation/décomposition hautement réversible de Li2O2 sans réactions secondaires.
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Publication originale
Jing Liu, Yuejiao Li, Yajun Ding, Lisha Wu, Jieqiong Qin, Tongle Chen, Caixia Meng, Feng Zhou, Xiangkun Ma, Zhong‐Shuai Wu; "A Bifunctional Imidazolyl Iodide Mediator of Electrolyte Boosts Cathode Kinetics and Anode Stability Towards Low Overpotential and Long‐Life Li‐O2 Batteries"; Angewandte Chemie International Edition, 2025-1-14
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