La nouvelle batterie semble tout offrir : électrodes lithium-métal/lithium-air

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Les batteries au lithium actuelles sont basées sur l’intercalation – les ions lithium se compriment dans les espaces à l’intérieur des matériaux d’électrode tels que le graphite. En conséquence, la majeure partie du volume et de l’encombrement de la batterie est dédiée à des éléments qui ne contribuent pas à transporter des charges entre les électrodes, ce qui limite les types de densités d’énergie que ces technologies peuvent atteindre.

En conséquence, de nombreuses recherches ont été menées pour trouver des moyens de se débarrasser de l’un de ces matériaux d’électrode. Les gens ont essayé d’associer des électrodes lithium-métal avec divers matériaux, tandis que d’autres efforts ont essayé d’utiliser des électrodes où le lithium réagit avec l’air pour former des composés lithium-oxygène. Bien que ceux-ci aient fonctionné selon certaines mesures, ils avaient tendance à avoir des problèmes qui raccourcissaient considérablement leur durée de vie utile.

Mais un article récent décrit une batterie qui utilise du lithium métal sur une électrode et du lithium-air sur la seconde. Selon certaines mesures, la batterie a des performances décentes jusqu’à plus de 1 000 cycles de charge/décharge.

Beaucoup de problèmes

Les problèmes avec le lithium métal sont assez bien décrits : il est très difficile de faire en sorte que le lithium se dépose uniformément sur la surface de l’électrode. Au cours de cycles de charge/décharge répétés, des éléments qui commencent par de subtiles irrégularités se transforment en épines appelées dendrites que le lithium ne quitte pas pour transporter la charge ; finalement, les épines se développent jusqu’à court-circuiter le système. On pense généralement que la solution consiste à modifier les électrolytes que les ions lithium traversent lorsqu’ils se déplacent entre les électrodes. Au moins une entreprise a déclaré avoir développé un électrolyte qui permet aux batteries lithium-métal de fonctionner aussi longtemps que de nombreuses technologies actuelles.

Les problèmes avec les électrodes lithium-air sont très différents et étendus. Le matériau de support de l’électrode doit être suffisamment poreux pour permettre à l’air de rencontrer le lithium et de le rester pendant de nombreux cycles. Les réactions qu’il héberge doivent éviter les réactions avec d’autres matériaux dans l’atmosphère, comme la vapeur d’eau, qui peuvent piéger en permanence le lithium au niveau de l’électrode. Et enfin, l’électrode doit gérer un mélange potentiellement compliqué d’oxydes et de peroxydes de lithium qui peuvent se former lors des réactions avec l’oxygène. Dans de nombreux cas, ces problèmes ont été si graves que les batteries lithium-air testées sont mortes après quelques dizaines de cycles.

Il n’est pas clair qu’il existe une solution unique à ces problèmes. Et, contrairement à la contre-électrode lithium-métal, il n’est pas clair qu’un électrolyte différent contribuerait de manière significative à une solution.

Il est donc quelque peu surprenant que l’électrolyte dans ce nouveau travail semble aider à gérer les réactions avec l’oxygène. Et cela a également aidé à maintenir une électrode lithium-métal viable. Mais ce n’était pas la seule chose qui se passait avec la nouvelle conception de la batterie.

Conducteurs et catalyseurs

Il y a essentiellement deux histoires qui sont nécessaires pour comprendre pourquoi cette batterie semble fonctionner. Nous allons commencer par l’électrode lithium-air, qui a deux composants. La première est une matrice poreuse constituée d’un matériau hydrofuge. Des nanoparticules d’un catalyseur avec lequel le groupe de recherche a une longue histoire, le phosphure de tri-molybdène (Mo3P). Ils ont commencé à examiner cela en 2019, pensant que cela pourrait être une bonne option pour séparer l’eau afin de produire de l’hydrogène, car le molybdène est relativement peu coûteux. Un an plus tard, ils ont envisagé de l’utiliser dans les batteries lithium-air, qui nécessitent également un réarrangement des liaisons entre les atomes d’oxygène.

À ce moment-là, Mo3P a montré une endurance exceptionnelle, restant viable pendant plus de 1 200 cycles de charge/décharge. Mais l’efficacité énergétique n’était pas si grande. Pour cela, apparemment, ils avaient besoin d’un meilleur électrolyte.

L’électrolyte avec lequel ils ont travaillé est un solide aux températures auxquelles les batteries fonctionneraient. Il peut être difficile d’imaginer un matériau solide permettant aux ions de le traverser. Mais plusieurs solides ont été développés avec des canaux internes suffisamment larges pour le passage des ions. L’intérieur de ces canaux contient des sites avec lesquels les ions peuvent interagir, permettant aux ions de faire de courts sauts d’un emplacement stable à un autre lors de leur transit. Enfin, la densité des canaux peut garantir que les ions nouvellement arrivés sont répartis de manière relativement uniforme sur la surface d’une électrode, évitant des problèmes tels que la formation de dendrites sur le lithium métallique.

Dans ce cas, il a un avantage supplémentaire : il maintient l’électrode lithium-air exposée à l’air. Lorsque les chercheurs ont essayé les mêmes matériaux d’électrode dans un électrolyte liquide, les réactions chimiques qui se sont produites au niveau de l’électrode lithium-air n’ont été qu’en partie achevées.

La partie solide de l’électrolyte est à base de carbone mais contient beaucoup d’atomes d’oxygène et de silicium liés au squelette carboné. Ces atomes polaires aident à fournir aux ions lithium quelque chose avec lequel ils sont heureux d’interagir. Les nanoparticules agissent comme une station de passage sur le trajet entre les électrodes. Ils sont composés de LidixGeP2S12, un matériau contenant à la fois du lithium et des atomes qui aiment interagir avec le lithium. Cela garantit que l’électrolyte est rempli d’ions lithium même lorsque la batterie n’est pas utilisée, de sorte que les charges peuvent circuler à la seconde où la batterie devient active.

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