Batteries lithium-air : l’avenir du stockage d’énergie haute capacité se dessine

Les batteries lithium-air, également connues sous le nom de batteries lithium-oxygène, sont des candidates potentielles pour la prochaine génération de dispositifs de stockage d’électricité à haute énergie.

Leur capacité théorique de stockage d’énergie est dix fois supérieure à celle des batteries lithium-ion conventionnelles de même poids, mais elles ne sont pas encore assez chimiquement stables pour fournir une solution fiable.

Un nouveau projet de recherche collaboratif, auquel participe une équipe de l’Université d’Oldenburg dirigée par le professeur de chimie Dr. Gunther Wittstock, teste un nouveau concept pour prolonger la durée de vie de ces cellules de batterie.

Le projet, intitulé « Matériaux et composants alternatifs pour les batteries lithium-oxygène aprotiques : chimie et stabilité des composants inactifs – AMaLiS 2.0« , est dirigé par IOLITEC Ionic Liquids Technologies, une entreprise basée à Heilbronn, en Allemagne.**

Le projet recevra environ 1,1 million d’euros de financement 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 types de batteries conventionnels, 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 générer de l’électricité.

Le principal 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 aux batteries actuelles, mais pèsent beaucoup moins, ce qui les rend attrayantes pour une utilisation dans les voitures électriques ainsi que dans le stockage d’énergie stationnaire.

« Cependant, avant d’en arriver là, il reste encore un certain nombre de problèmes techniques à résoudre« , souligne Wittstock. L’un de ces défis 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 entre les deux électrodes.

Dans les batteries lithium-air, l’une des électrodes est constituée de lithium métallique, tandis que l’autre – appelée électrode de diffusion de gaz – est composée d’un réseau poreux et d’un matériau conducteur où l’oxygène (O2) de l’air est réduit dans une réaction d’oxydoréduction. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium chargés positivement traversent l’électrolyte d’une électrode à l’électrode de diffusion de gaz, où ils se combinent avec l’oxygène et les électrons d’un circuit électrique externe pour former de l’oxyde de lithium. Ceci génère un courant électrique qui peut être utilisé pour alimenter des dispositifs électriques. Lors de la charge, le lithium et l’oxygène se séparent à nouveau et les ions et les électrons se déplacent dans la direction opposée.

Pour augmenter 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, permettant ainsi d’utiliser différents électrolytes de chaque côté. « Cela élargirait considérablement les options pour les électrolytes« , déclare le coordinateur du projet IOLITEC, Dr Thomas Schubert.

Les scientifiques prévoient de tester un séparateur avec un revêtement spécial de chaque côté 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, y compris la spectroscopie de surface et la microscopie électrochimique à balayage (SECM), pour étudier les processus sur les surfaces 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 Küpers.

L’équipe MEET effectue également des mesures de test. À l’institut Fraunhofer IFAM, une équipe dirigée par la Dr. Daniela Fenske développe un nouveau type d’électrode de diffusion de gaz à base de carbure de titane nanostructuré. « Elle sera combinée avec une membrane spéciale qui empêche les composants d’air parasites tels que le dioxyde de carbone ou la vapeur d’eau de pénétrer dans la cellule« , indique Fenske.

L’objectif final des chercheurs est de développer un prototype qui prouve qu’un système rechargeable et stable est réalisable. Pour cela, la construction d’une cellule plate d’une surface de 25 centimètres carrés est prévue.

Légende : Cellule de batterie lithium-air devant un banc d’essai. CRÉDIT : Fraunhofer IFAM

** Le centre de recherche sur les batteries MEET (Münster Electrochemical Energy Technology) de l’Université de Münster et l’Institut Fraunhofer pour la technologie de fabrication et les matériaux avancés IFAM à Brême participent également.