Lithium‑Air vs Lithium‑Ion :avis d'experts et comparaison des performances

Billy Hurley, responsable éditorial numérique

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

Salehi-Khojin et ses collègues chercheurs de l'UIC et du Laboratoire national d'Argonne ont conçu une cellule électrochimique qui fonctionne dans un environnement aérien naturel et continue de fonctionner après un nombre record de 750 cycles de charge/décharge.

Une batterie lithium-air combine l'oxygène de l'air avec le lithium présent dans l'anode. Le mélange produit du peroxyde de lithium pendant la phase de décharge – et une décomposition des composants lithium et oxygène pendant la phase de charge.

La batterie expérimentale lithium-air. (Photo :Amin Salehi-Khojin.)

On pense que les batteries lithium-air ont la capacité de contenir jusqu'à cinq fois plus d'énergie que les mêmes batteries lithium-ion qui alimentent les téléphones, ordinateurs portables et véhicules électriques d'aujourd'hui.

Cependant, les premières idées « lithium-air » ont souvent échoué.

Lorsque les ions lithium se combinent au dioxyde de carbone et à la vapeur d'eau présents dans l'air, il en résulte souvent des sous-produits qui encrassent la cathode.

Pour éviter cette accumulation et permettre à la batterie de fonctionner dans un environnement naturel, les chercheurs de l'UIC et d'Argonne ont recouvert l'anode de lithium d'une fine couche de carbonate de lithium. Le revêtement permet sélectivement aux ions lithium de l'anode de pénétrer dans l'électrolyte, tout en empêchant les composés indésirables d'atteindre l'anode.

Dans les conceptions expérimentales de batteries lithium-air, l'oxygène pénètre dans l'électrolyte à travers une structure de réseau spongieux à base de carbone.

Salehi-Khojin et ses collègues ont recouvert la structure du réseau d'un catalyseur au bisulfate de molybdène. L'électrolyte hybride unique – composé de liquide ionique et de diméthylsulfoxyde, un composant courant des électrolytes de batterie – a contribué à faciliter les réactions lithium-oxygène, à minimiser les réactions du lithium avec d'autres éléments dans l'air et à améliorer l'efficacité de la batterie.

Nos lecteurs se posaient cependant des questions. Que faire si la batterie surchauffe ? La batterie peut-elle exploser ? Y a-t-il des problèmes de sécurité ? Comment une batterie lithium-air se compare-t-elle à une batterie lithium-ion ? Larry Curtiss, Argonne Distinguished Fellow et co-auteur principal de l'étude, a pris le temps de fournir des réponses à notre auditoire. Voir les réponses ci-dessous.

Quel est le tarif de recharge ?

Curtiss : Le taux de charge à ce moment serait similaire à celui d’une batterie Li-ion. Il pourrait être augmenté avec des recherches plus approfondies.

Dans quelle mesure votre nouveau design surpasse-t-il les batteries Li-ion ?

En utilisant des liaisons chimiques entre le Li et l'oxygène, les batteries peuvent stocker beaucoup plus d'énergie, car les liaisons sont plus denses que les interactions d'intercalation entre le Li et les couches d'oxyde métallique utilisées dans les batteries Li-ion.

Quel est le potentiel d'inflammabilité ou d'explosion (en cas de perforation, de surchauffe, de surcharge, etc.) ?

Curtiss : L’anode au lithium est l’un des composants de la batterie Li-air que nous avons publiée. On sait que cela pourrait provoquer une explosion. De nombreux scientifiques travaillent sur le problème de la sécurité de l'anode au lithium et feront probablement beaucoup d'efforts pour la rendre sûre. Cependant, il convient de mentionner que nous avons protégé la surface de l'anode Li avec un matériau électriquement isolant mais conducteur ionique afin d'éviter toute explosion due à un court-circuit de la batterie entre l'anode et la cathode. Cela évite également la surchauffe de la batterie.

Quels sont les modes de défaillance attendus ?

Curtiss : Ceci sera étudié lors de la mise à l'échelle.

D'autres problèmes de sécurité ? La densité énergétique des batteries Li-Ion standards est égale à celle du TNT. Vos batteries ont une densité énergétique 5 fois supérieure. Même si en théorie ils limitent les réactions indésirables de ces fines couches, il existe d'autres contaminants potentiels dans l'air (CO2, N2, etc.). Certains d'entre eux pourraient-ils devenir corrosifs et briser les couches ? Des courts-circuits internes pourraient-ils se développer, renversant une seule cellule conduisant à un incendie ?

Curtiss : La batterie a été développée uniquement à l'échelle du laboratoire où elle n'a présenté aucun de ces problèmes de sécurité lors des tests. La prochaine étape consisterait à transformer ces petites cellules en batteries, à les tester, à découvrir quels sont les problèmes de sécurité et à les résoudre. Cependant, nous pensons que la surchauffe due à l'inversion des cellules ne se produirait pas dans notre système en raison de la solide couche de protection de la surface de l'anode Li.

Qu'en pensez-vous ? Avez-vous d'autres questions sur les batteries lithium-air ? Partagez-les ci-dessous.

Un dessin schématique de la batterie lithium-air. (Crédit :UIC et Laboratoires nationaux d'Argonne.)