Lithium-air vs lithium-ion : insights d'experts et comparaison de performance

« Notre conception de batterie lithium-air représente une révolution dans la communauté des batteries », déclare Amin Salehi-Khojin, professeur adjoint de génie mécanique et industriel à l'Université de l'Illinois à Chicago.

Salehi-Khojin et ses collègues de UIC et du Laboratoire National d'Argonne ont conçu une cellule électrochimique fonctionnant dans un environnement d'air naturel et tenant 750 cycles charge/décharge — un record.

Fonctionnement et promesse

Une batterie lithium-air combine l'oxygène de l'air avec le lithium de l'anode. Le mélange produit du peroxyde de lithium pendant la décharge — et une décomposition du lithium et de l'oxygène pendant la charge.

On pense que les batteries lithium-air peuvent stocker jusqu'à cinq fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion actuelles alimentant téléphones, ordinateurs portables et véhicules électriques.

Les défis historiques

Les premières idées de "lithium-air" ont souvent échoué. Quand les ions lithium se combinent avec le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau dans l'air, les sous-produits encrassent souvent la cathode.

Pour prévenir cette accumulation et permettre le fonctionnement en air naturel, les chercheurs de UIC et Argonne ont revêtu l'anode lithium d'une fine couche de carbonate de lithium. Ce revêtement laisse sélectivement passer les ions lithium de l'anode vers l'électrolyte — tout en bloquant les composés indésirables vers l'anode.

Dans les conceptions expérimentales, l'oxygène entre dans l'électrolyte via une structure épongeuse à base de carbone. L'équipe a revêtu cette structure d'un catalyseur de disulfate de molybdène. L'électrolyte hybride unique — liquide ionique et diméthylsulfoxyde, composant courant des électrolytes — facilite les réactions lithium-oxygène, minimise les réactions du lithium avec d'autres éléments de l'air, et booste l'efficacité.

Réponses aux questions des lecteurs par Larry Curtiss

Taux de charge ? Similaire aux batteries Li-ion actuelles. Pourrait être augmenté avec plus de recherche.

Comment votre design surpasse-t-il le Li-ion ? En utilisant les liaisons chimiques entre Li et oxygène, les batteries stockent bien plus d'énergie, ces liaisons étant plus denses que les interactions d'intercalation Li/oxyde métallique du Li-ion.

Risque d'inflammabilité ou d'explosion (percée, surchauffe, surcharge) ? L'anode lithium peut causer une explosion. Beaucoup de scientifiques travaillent sur la sécurité de l'anode lithium. Cependant, nous avons protégé la surface de l'anode Li avec un matériau isolant électriquement mais conductif ioniquement pour prévenir toute explosion par court-circuit anode-cathode. Cela prévient aussi la surchauffe.

Modes de défaillance attendus ? Sera étudié lors du passage à l'échelle.

Autres préoccupations sécurité ? L'énergie densité du Li-ion standard égale celle du TNT. La vôtre est 5x supérieure. Bien que les couches minces limitent théoriquement les réactions indésirables, d'autres contaminants de l'air (CO₂, N₂) pourraient-ils devenir corrosifs et dégrader les couches ? Des courts-circuits internes pourraient-ils se développer en inversant une cellule unique menant au feu ? La batterie n'a été développée qu'à l'échelle laboratoire sans problèmes de sécurité lors des tests. L'étape suivante est le passage à l'échelle vers des packs, tests, identification et résolution des problèmes sécurité. Cependant, la surchauffe par inversion de cellule ne devrait pas se produire dans notre système grâce à la couche de protection robuste de l'anode Li.