Une équipe de recherche conjointe du NIMS et de Toyo Tanso a développé une électrode en carbone qui permet le fonctionnement stable d’une batterie lithium-air empilée de classe 1 Wh, atteignant simultanément une puissance supérieure, une durée de vie plus longue et une évolutivité. Elle a créé cette électrode en combinant la technologie de fabrication que Toyo Tanso a développée pour son produit de carbone poreux « CNovel™ » avec la technologie propriétaire que le NIMS a développée pour fabriquer des membranes de carbone autoportantes. La combinaison a permis d’augmenter la taille de la cellule de la batterie—une étape significative vers des batteries lithium-air pratiques à l’échelle industrielle.
Les batteries lithium-air attirent l’attention en tant que « batteries rechargeables ultimes » car leur densité d’énergie massique théorique est plusieurs fois supérieure à celle des batteries lithium-ion conventionnelles. En 2021, un groupe de recherche du NIMS a développé une batterie lithium-air avec une densité d’énergie massique d’environ 500 Wh/kg—plus du double de celle des batteries lithium-ion typiques.
Cependant, plusieurs défis techniques subsistent avant qu’une mise en œuvre pratique ne soit possible, y compris la nécessité d’une performance de puissance supérieure et d’une durée de vie en cycle plus longue.
De plus, la plupart des batteries lithium-air rapportées à ce jour avaient des capacités énergétiques de 0,01 Wh ou moins, rendant essentiel d’augmenter la taille des cellules pour faire progresser la recherche et le développement vers une utilisation pratique.
Les principales découvertes
L’équipe de recherche conjointe a réussi à développer une électrode en carbone qui atteint simultanément une puissance supérieure, une durée de vie plus longue et une évolutivité—des exigences clés pour les batteries lithium-air pratiques.
Dans cette étude, la technologie propriétaire développée par le NIMS pour fabriquer des membranes de carbone autoportantes a été appliquée au matériau de carbone poreux CNovel™ de Toyo Tanso, qui présente une structure mésoporeuse contrôlée. Cette approche a permis la fabrication d’électrodes en carbone avec une structure poreuse hiérarchiquement contrôlée, résultant en un fonctionnement haute puissance des batteries lithium-air.
De plus, en améliorant la cristallinité de l’électrode en carbone, l’équipe a amélioré sa durabilité, prolongeant ainsi significativement la durée de vie de la batterie.
Les chercheurs ont également établi un procédé de fabrication capable de produire des électrodes de grande surface mesurant 10 cm × 10 cm ou plus, posant une base technique solide pour un passage à l’échelle vers des cellules de batterie plus grandes.
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En intégrant ces avancées, l’équipe a prototypé une batterie lithium-air empilée de classe 1 Wh utilisant une électrode de 4 cm × 4 cm et a confirmé son fonctionnement stable.
Les perspective futures
L’électrode en carbone haute performance développée dans cette étude représente une réalisation majeure en surmontant simultanément les trois défis clés pour la mise en œuvre pratique des batteries lithium-air : une puissance supérieure, une durée de vie en cycle plus longue et l’évolutivité. Les batteries lithium-air, connues pour leur légèreté et leur haute capacité énergétique, sont attendues pour jouer un rôle vital dans l’avancement de l’électrification de secteurs critiques, tels que les avions électriques et les véhicules électriques. Cependant, leur utilisation pratique a longtemps été contrainte par des défis techniques.
Cette étude a permis d’augmenter la surface de l’électrode, ouvrant la voie à des applications à l’échelle industrielle et représentant une étape significative vers le déploiement réel des batteries lithium-air.
Ce projet a été réalisé par une équipe de recherche conjointe dirigée par Shoichi Matsuda (Chef d’équipe, Équipe d’Expérimentations Électrochimiques Automatisées (AEET), Centre de Recherche pour les Matériaux Énergétiques et Environnementaux (GREEN), NIMS), Arghya Dutta (Chercheur Spécial, AEET, GREEN, NIMS), Takashi Kameda (Ingénieur, AEET, GREEN, NIMS) et Takahiro Morishita (Fellow Exécutif, Centre de Technologie Avancée du Carbone Commémoratif Kondo Teruhisa, Toyo Tanso Co., Ltd.).
Article : Hierarchically Porous Graphitized Carbon Membrane for 1 Watt-Hour Class Rechargeable Lithium-Oxygen Pouch Cells – Journal : Cell Reports Physical Science – Méthode : Experimental study – DOI : 10.1016/j.xcrp.2025.102841
Source : NIMS
