Des performances inégalées pour les batteries Li-O2 (Lithium-air)

Dans le domaine des énergies renouvelables, les batteries lithium-air, également connues sous le nom de batteries lithium-oxygène (Li-O2), sont au cœur de nombreuses recherches. Ces batteries, qui pourraient jouer un rôle majeur dans la sécurisation de nos sources d’énergie, ont récemment fait l’objet d’une étude prometteuse menée par des scientifiques japonais

Une nouvelle approche pour les batteries Li-O2

Les batteries Li-O2 sont composées d’une anode en métal de lithium, d’un électrolyte organique et d’une cathode en carbone poreux. Lors de la décharge, l’oxygène de l’air environnant réagit avec le lithium à la cathode, libérant de l’énergie. Avec une densité énergétique extrêmement élevée (> 3500 Wh kg-1), ces batteries pourraient potentiellement ouvrir la voie à des sources d’énergie plus respectueuses de l’environnement.

Le développement de cette technologie a été freiné par certaines limites des cathodes en carbone spécialement conçues. En particulier, elles manquent de sites actifs où peuvent se produire des réactions chimiques, et d’espace suffisant pour accueillir la nucléation et la croissance des produits de décharge, nécessaires pour atteindre une haute densité énergétique.

Le rôle de la feuille de mésosponge de graphène

Les chercheurs de l’Université de Tohoku et leurs partenaires ont mis au point un type spécial de feuille de carbone poreuse appelée feuille de mésosponge de graphène (GMS-sheet). Ce design améliore considérablement la densité énergétique et la stabilité du cycle dans les batteries Li-O2, établissant un standard de haute performance.

« La conception rationnelle de la structure poreuse pour la cathode en carbone est cruciale pour obtenir une haute performance, mais c’est aussi un défi majeur », précise Hirotomo Nishihara, professeur à l’Institut avancé pour la recherche sur les matériaux (WPI-AIMR) de l’Université de Tohoku et co-auteur correspondant de l’article. « Nous avons développé de manière créative une synthèse contrôlable de l’angstrom au millimètre de cathodes autoportantes avec du graphène minimisé à partir de sites de bord.

« La conception rationnelle de la structure poreuse pour la cathode en carbone est cruciale pour obtenir une haute performance, mais c’est aussi un défi majeur », explique encore Hirotomo Nishihara. « Nous avons développé de manière créative une synthèse contrôlable de l’angstrom au millimètre de cathodes autoportantes avec du graphène minimisé à partir de sites de bord. »

Une performance supérieure grâce à la GMS-sheet

Pour ce faire, les chercheurs ont rationnellement contrôlé trois paramètres de synthèse lors d’un processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : la force de pelletisation, la quantité de modèle Al2O3, et la durée du CVD. Cela a abouti à une série de GMS-sheets avec différentes porosités, quantités de couches de carbone, et épaisseurs de feuille.

« Il est intéressant de constater que les capacités spécifiques de masse/surface des batteries Li-O2 utilisant des cathodes GMS-sheets peuvent être contrôlées par ces trois paramètres de synthèse », indique pour sa part Wei Yu, professeur assistant à l’Université de Tohoku’s WPI-AIMR et co-auteur correspondant de l’article. « En optimisant ces paramètres, nous sommes ravis d’atteindre des capacités de stockage d’énergie impressionnantes, surpassant la performance des meilleures cathodes en carbone, avec plus de 6300 milliampères-heures par gramme et plus de 30,0 milliampères-heures par centimètre carré lorsqu’ils sont normalisés à la masse et à la surface des GMS-sheets, respectivement. »

En synthèse

Le professeur Nishihara et ses équipes estiment que la GMS-sheet sera une cathode en carbone marquante pour les batteries Li-O2. « Nous continuerons à promouvoir l’utilisation pratique des batteries Li-O2 basées sur notre GMS-sheet, et notre paysage couvre également d’autres batteries métal-gaz telles que les batteries Na-O2, Li-CO2, et Zn-O2, pour lesquelles une cathode en carbone de haute performance est également nécessaire », conclut t-il.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’une batterie lithium-air (Li-O2) ?

une batterie lithium-air, également connue sous le nom de batterie lithium-oxygène, est une batterie qui comprend une anode en métal de lithium, un électrolyte organique et une cathode en carbone poreux. Lors de la décharge, l’oxygène de l’air environnant réagit avec le lithium à la cathode, libérant de l’énergie.

Qu’est-ce qu’une feuille de mésosponge de graphène (GMS-sheet) ?

La feuille de mésosponge de graphène est un type spécial de feuille de carbone poreuse développée par les chercheurs de l’Université de Tohoku et leurs partenaires. Elle améliore considérablement la densité énergétique et la stabilité du cycle dans les batteries Li-O2.

Qu’est-ce que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ?

Le dépôt chimique en phase vapeur est un processus utilisé par les chercheurs pour contrôler la force de pelletisation, la quantité de modèle Al2O3, et la durée du CVD. Cela a abouti à une série de GMS-sheets avec différentes porosités, quantités de couches de carbone, et épaisseurs de feuille.

Quels sont les avantages des batteries Li-O2 utilisant des cathodes GMS-sheets ?

Les batteries Li-O2 utilisant des cathodes GMS-sheets ont des capacités de stockage d’énergie impressionnantes, surpassant la performance des meilleures cathodes en carbone. Elles peuvent atteindre plus de 6300 milliampères-heures par gramme et plus de 30,0 milliampères-heures par centimètre carré lorsqu’elles sont normalisées à la masse et à la surface des GMS-sheets.

Quels sont les futurs projets de l’équipe de recherche ?

L’équipe de recherche prévoit de continuer à promouvoir l’utilisation pratique des batteries Li-O2 basées sur la GMS-sheet. Ils envisagent également d’autres batteries métal-gaz telles que les batteries Na-O2, Li-CO2, et Zn-O2, pour lesquelles une cathode en carbone de haute performance est également nécessaire.

Principaux enseignements

Références

Article : Hierarchically Porous and Minimally Stacked Graphene Cathodes for High-Performance Lithium-Oxygen Batteries/ Auteurs : Wei Yu, Zhaohan Shen, Takeharu Yoshii, Shinichiroh Iwamura, Manai Ono, Shoichi Matsuda, Makoto Aoki, Toshihiro Kondo, Shin R. Mukai, Shuji Nakanishi, Hirotomo Nishihara
Journal: Advanced Energy Materials
DOI: 10.1002/aenm.202303055