Daniel Commandeur, University of Surrey; Mahsa Masoudi, University of Surrey et Siddharth Gadkari, University of Surrey
Les batteries au dioxyde de carbone-lithium (Li-CO₂) pourraient constituer une solution deux en un aux problèmes actuels de stockage d’énergie renouvelable et de suppression des émissions de carbone dans l’air. Ils absorbent le dioxyde de carbone et le transforment en une poudre blanche appelée carbonate de lithium tout en déchargeant de l’énergie.
Ces piles pourraient avoir de profondes répercussions sur la réduction des émissions des véhicules et de l’industrie – et pourraient même permettre des missions de longue durée sur Mars, où l’atmosphère est composée à 95 % de CO₂.
Pour rendre ces piles commercialement viables, les chercheurs se sont principalement heurtés à des problèmes liés à leur recharge. Aujourd’hui, notre équipe de l’université de Surrey a trouvé une solution prometteuse. Dans quelle mesure ces piles « respirant le CO₂ » sont-elles sur le point de devenir une réalité pratique ?
Comme beaucoup de grandes percées scientifiques, les piles Li-CO₂ sont le fruit d’un heureux accident. Il y a un peu plus de dix ans, une équipe franco-américaine de chercheurs tentait de résoudre les problèmes posés par les batteries lithium-air, une autre technologie de pointe en matière de stockage de l’énergie. Alors que les batteries lithium-ion actuelles produisent de l’énergie en déplaçant et en stockant des ions lithium dans des électrodes, les batteries lithium-air fonctionnent en créant une réaction chimique entre le lithium et l’oxygène.
Le problème réside dans la partie « air », car même le volume minuscule (0,04 %) de CO₂ présent dans l’air suffit à perturber cette chimie minutieuse, en produisant du carbonate de lithium (Li₂CO₃) indésirable. Comme de nombreux scientifiques spécialisés dans les batteries vous le diront, la présence de Li₂CO₃ peut également être une véritable plaie dans les batteries lithium-ion ordinaires, en provoquant des réactions secondaires indésirables et une résistance électrique.
Néanmoins, les scientifiques ont remarqué quelque chose d’intéressant à propos de cette contamination par le CO₂ : elle améliore la quantité de charge de la batterie. À partir de là, les travaux ont commencé à ajouter intentionnellement du gaz CO₂ aux batteries pour en tirer parti, et la batterie lithium-CO₂ est née.
Comment ça marche
Leur grand potentiel est lié à la réaction chimique du côté positif de la batterie, où de petits trous sont percés dans le boîtier pour permettre au gaz CO₂ d’y pénétrer. Il s’y dissout dans l’électrolyte liquide (qui permet à la charge de se déplacer entre les deux électrodes) et réagit avec le lithium qui y a déjà été dissous. Au cours de cette réaction, on pense que quatre électrons sont échangés entre les ions lithium et le dioxyde de carbone.
Ce transfert d’électrons détermine la charge théorique qui peut être stockée dans la batterie. Dans une batterie lithium-ion normale, l’électrode positive n’échange qu’un électron par réaction (dans les batteries lithium-air, il s’agit de deux à quatre électrons). L’échange plus important d’électrons dans la batterie lithium-dioxyde de carbone, combiné à la tension élevée de la réaction, explique leur potentiel à surpasser largement les batteries lithium-ion d’aujourd’hui.
Cependant, la technologie présente quelques problèmes. Les batteries ne durent pas très longtemps. Les batteries lithium-ion commerciales survivent couramment à 1 000-10 000 cycles de charge ; la plupart des prototypes LiCO₂ s’affaiblissent après moins de 100 cycles. Il faut pour cela décomposer le carbonate de lithium pour libérer le lithium et le CO₂, ce qui peut nécessiter beaucoup d’énergie. Ce besoin d’énergie est un peu comme une colline qui doit être remontée avant que la réaction puisse se poursuivre, et est connu sous le nom de surpotentiel.
Il est possible de réduire ce besoin en imprimant le bon matériau catalytique sur l’électrode positive poreuse. Cependant, ces catalyseurs sont généralement des métaux nobles coûteux et rares, tels que le ruthénium et le platine, ce qui constitue un obstacle important à la viabilité commerciale.
Notre équipe a trouvé un catalyseur alternatif, le phosphomolybdate de césium, qui est beaucoup moins cher et facile à fabriquer à température ambiante. Ce matériau a rendu les batteries stables pendant 107 cycles, tout en stockant 2,5 fois plus de charge qu’un lithium-ion. De plus, nous avons considérablement réduit le coût énergétique lié à la décomposition du carbonate de lithium, pour une surtension de 0,67 volt, soit environ le double de ce qui serait nécessaire pour un produit commercial. Cela pourrait rendre le système plus économiquement viable et plus évolutif pour un déploiement à grande échelle.
Nous prévoyons également d’étudier comment la batterie se charge et se décharge en temps réel. Cela permettra de mieux comprendre les mécanismes internes en jeu et d’optimiser les performances et la durabilité.
L’un des principaux objectifs des tests à venir sera d’évaluer les performances de la batterie à différentes pressions de CO₂. Jusqu’à présent, le système n’a été testé que dans des conditions idéales (1 bar). S’il peut fonctionner à une pression de 0,1 bar, il sera possible de l’utiliser pour les gaz d’échappement des voitures et les conduits des chaudières à gaz, ce qui signifie que vous pourriez capturer le CO₂ pendant que vous conduisez ou que vous chauffez votre maison.
Démontrer que cela fonctionne sera une confirmation importante de la viabilité commerciale, bien que nous nous attendions à ce que la capacité de charge de la batterie diminue à cette pression. D’après nos calculs approximatifs, 1 kg de catalyseur pourrait absorber environ 18,5 kg de CO₂. Étant donné qu’une voiture roulant 100 miles émet environ 18kg-20kg de CO₂, cela signifie qu’une telle batterie pourrait potentiellement compenser une journée de conduite.
Si les batteries fonctionnent à 0,006 bar, la pression de l’atmosphère martienne, elles pourraient alimenter n’importe quoi, d’un rover d’exploration à une colonie. À 0,0004 bar, la pression atmosphérique ambiante de la Terre, elles pourraient capturer le CO₂ de notre atmosphère et stocker de l’énergie n’importe où. Dans tous les cas, la question clé sera de savoir comment cela affecte la capacité de charge de la batterie.
En même temps, pour améliorer le nombre de cycles de recharge de la batterie, nous devons résoudre le problème de l’assèchement de l’électrolyte. Nous étudions actuellement des solutions, qui impliquent probablement le développement de boîtiers dans lesquels seul le CO₂ peut pénétrer. Quant à la réduction de l’énergie nécessaire au fonctionnement du catalyseur, il faudra probablement optimiser la géométrie de la batterie pour maximiser le taux de réaction – et introduire un flux de CO₂, comparable à la manière dont les piles à combustible fonctionnent (généralement en introduisant de l’hydrogène et de l’oxygène).
Si ce travail continu permet de prolonger la durée de vie de la batterie au-delà de 1 000 cycles, de réduire la surtension à moins de 0,3 V et de remplacer entièrement les éléments rares, les batteries Li-CO₂ commerciales pourraient devenir une réalité. Nos expériences détermineront à quel point les applications de la batterie peuvent être polyvalentes et étendues, de la capture du carbone sur Terre à l’alimentation des missions sur Mars.
Daniel Commandeur, Surrey Future Fellow, School of Chemistry & Chemical Engineering, University of Surrey; Mahsa Masoudi, PhD Researcher, Chemical Engineering, University of Surrey et Siddharth Gadkari, Lecturer in Chemical Process Engineering, University of Surrey
Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l’article original.
