Les chercheurs ont découvert que la batterie au lithium-oxygène fournirait 3 fois plus d’énergie que celle au lithium-ion

Les chercheurs en technologie de la batterie conviennent que l’une des possibilités les plus prometteuses est la batterie au lithium-air (ou au lithium-oxygène), qui pourrait fournir trois fois plus d’énergie pour un poids donné que la technologie de pointe, les batteries au lithium-ion. Mais les tests de diverses approches pour créer de telles batteries ont généré des résultats contradictoires et confus, ainsi que des controverses sur la façon de les expliquer.

Maintenant, une équipe de MIT a effectué des tests détaillés qui semblent résoudre les questions entourant un matériau prometteur pour ces batteries: un composé appelé iodure de lithium (LiI). Le composé a été considéré comme une solution possible à certains problèmes de la batterie au lithium-air, dont une incapacité à supporter de nombreux cycles de chargement-déchargement, mais des résultats contradictoires ont posé des questions sur l’utilité du matériel pour cette tâche. La nouvelle étude explique ces divergences, et bien qu’elle suggère que le matériel pourrait ne pas être adapté après tout, le travail fournit des conseils pour les efforts visant à surmonter les inconvénients de LiI ou à trouver d’autres matériaux.


Cette série de photographies montre la réaction chimique qui se produit lors du chargement d’une batterie d’oxygène au lithium en utilisant de l’iodure de lithium comme additif.

Les nouveaux résultats apparaissent dans la revue Énergie et sciences de l’environnement, dans un document de Yang Shao-Horn, professeur en énergie WM Keck du MIT, Paula Hammond, David H. Koch, professeur en génie et responsable du département de génie chimique, Michal Tulodziecki, un postdoc récent du Laboratoire de recherche en électronique du MIT, Graham Leverick, un étudiant diplômé du MIT, Yu Katayama, étudiant en visite, et trois autres.

La promesse de la batterie au lithium-air provient du fait que l’une des deux électrodes, qui sont habituellement constituées de métal ou d’oxydes métalliques, est remplacée par de l’air qui s’écoule dans et hors de la batterie. Une substance sans poids est donc remplacée par l’un des composants lourds. L’autre électrode dans de telles batteries serait du lithium métallique pur, un élément léger.

Mais cette promesse théorique a été limitée dans la pratique en raison de trois problèmes: la nécessité de tensions élevées pour la charge, un faible rendement en ce qui concerne la récupération de la quantité d’énergie et la faible durée de vie du cycle, résultant de l’instabilité de l’oxygène de la batterie électrode. Les chercheurs ont proposé d’ajouter de l’iodure de lithium dans l’électrolyte pour résoudre ces problèmes. Mais les résultats publiés ont été contradictoires, et certaines études ont montré que le LiI améliore la vie en cycles « , tandis que d’autres montrent que la présence de LiI conduit à des réactions irréversibles et à un faible cycle de batterie », a déclaré Shao-Horn.

Auparavant, « la plupart de la recherche était axée sur les produits organiques » pour rendre les batteries au lithium-air réalisables, explique Michal Tulodziecki, l’auteur principal du document. Mais la plupart de ces composés organiques ne sont pas stables, dit-il, « et c’est pourquoi il y a eu un grand intérêt pour l’iodure de lithium [un matériau inorganique], dont certains documents indiquent que les batteries atteignent des milliers de cycles. Mais d’autres disent que non, cela endommagera la batterie. « Dans cette nouvelle étude, dit-il, » nous avons exploré en détail comment l’iodure de lithium affecte le processus, avec et sans eau « , une comparaison qui s’est révélée significative.

L’équipe a examiné le rôle de LiI sur la décharge de la batterie au lithium-air, en utilisant une approche différente de la plupart des autres études. Un ensemble d’études a été mené avec les composants en dehors de la batterie, ce qui a permis aux chercheurs de zéro sur une partie de la réaction, tandis que l’autre étude a été effectuée dans la batterie, pour aider à expliquer le processus global.

Ils ont ensuite utilisé la spectroscopie de la lumière ultraviolette et visible et d’autres techniques pour étudier les réactions qui ont eu lieu. Ces deux processus favorisent la production de différents composés de lithium tels que LiOH (hydroxyde de lithium) en présence de LiI et d’eau, au lieu de Li2O 2 (peroxyde de lithium). LiI peut améliorer la réactivité de l’eau et lui faire perdre plus facilement les protons, ce qui favorise la formation de LiOH dans ces batteries et entrave le processus de charge. Ces observations montrent que trouver des moyens de supprimer ces réactions pourrait mieux faire fonctionner les composés, tels que LiI.

Cette étude pourrait ouvrir la voie à la sélection d’un composé différent, à la place de LiI, pour exécuter sa fonction prévue de supprimer des réactions chimiques indésirables à la surface de l’électrode, dit Leverick, ajoutant que ce travail démontre l’importance de « regarder attentivement le mécanisme détaillé ».

Shao-Horn dit que les nouvelles découvertes « contribuent au fond de cette controverse existante sur le rôle de LiI en cas de décharge. Nous croyons que cela clarifie et rassemble tous ces différents points de vue.  »

Mais ce travail n’est qu’une étape dans un long processus visant à rendre la technologie du lithium-air pratique, disent les chercheurs. « Il y a tellement de choses à comprendre », dit Leverick, « alors il n’y a pas un seul document qui va le résoudre. Mais nous allons faire des progrès constants.  »

« Les batteries au lithium-oxygène qui fonctionnent sur de l’oxygène et des ions de lithium sont d’un grand intérêt car elles pourraient permettre aux véhicules électriques une portée beaucoup plus grande. Cependant, l’un des problèmes, c’est qu’elles ne sont pas encore très efficaces », explique Larry Curtiss, membre distingué du laboratoire national d’Argonne, qui n’a pas participé à ce travail. Dans cette étude, il dit: « on montre comment ajouter un sel simple, l’iodure de lithium, pour faire que ces batteries fonctionnent beaucoup plus efficacement. Ils ont fourni un nouvel aperçu de la façon dont l’iodure de lithium agit pour aider à rompre le produit à décharge solide, ce qui aidera à permettre le développement de ces systèmes de batterie avancés.

Curtiss ajoute que « il reste encore des obstacles importants à surmonter avant que ces batteries ne deviennent réalité, comme par exemple une vie de cycles assez longue, mais c’est une contribution importante au domaine ».

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