De l'énergie à partir de rien

Les batteries à lithium-air pourraient devenir la nouvelle innovation dans le marché de stockage de l'énergie n'eût été leur courte durée de vie. Un projet financé par l'UE a tenté de résoudre cela.

Depuis leur commercialisation en 1991, les batteries au lithium-ion ont fortement évolué. Le marché mondial devrait atteindre la valeur de 30 milliards d'euros d'ici 2019, avec des applications dans pratiquement tous les secteurs industriels, des dispositifs de stockage d'énergie renouvelable intermittents aux smartphones et aux voitures électriques.

Mais les machines qu'elles alimentent sont de plus en plus énergivores ainsi les ingénieurs du monde entier sont à la recherche de solutions de remplacement disposant de capacités de stockage élevées. L'une de ces solutions repose sur la technologie de lithium-air (Li-air), des batteries constituées d'une anode de métal et une anode d'air qui extrait constamment l'oxygène de l'air ambiant.

"Le principal avantage d'une pile à air-lithium est sa forte densité énergétique, qui est théoriquement dix fois plus élevée que celles des batteries à lithium-ion", explique le professeur Qiuping Chen, professeur agrégé à l'université polytechnique de Turin et coordinateur du projet STABLE. "Le plus grand défi, néanmoins, est d'améliorer le cycle de vie qui était de maximum de 50 cycles maximum avant le projet STABLE." Un résultat médiocre comparé aux batteries lithium-ion qui peuvent atteindre 400 à 1200 cycles en cours de vie.

L'objectif du projet STABLE est simple: renforcer cette capacité de 50 à 100-150 cycles et démontrer cette découverte dans des piles fonctionnelles dans les 3 prochaines années, ayant à l'esprit le marché émergeant des batteries à voitures électriques. "Le projet est un succès total à cet égard, et nous avons réussi à atteindre 151 cycles de vie", se réjouit le professeur Chen. "Bien que l'impact sur l'autonomie de mille par cycle dépend fortement de la densité énergétique, de la dimension et de la quantité des piles de batterie, nous espérons qu'elle soit aussi importante."

Pour y parvenir, le professeur Chen et son équipe s'est concentré sur la recherche des matériaux d'anode, de cathode, d'électrolytes de la batterie et des technologies, ainsi que sur les techniques d'assemblage pour les batteries qui jouent un rôle central sur leur performance, le coût et l'impact environnemental. "Nous avons amélioré la durée de vie et la cyclabilité des batteries de Li-air de différentes manières. D'abord, nous avons découvert que les catalyseurs bifonctionnels fortement actifs sont capables de régénérer la batterie. Nous avons ensuite protégé l'anode de lithium de la formation de dendrites en utilisant les membranes disponibles et enfin nous avons renforcé la stabilité de l'électrolyte en renforçant la solubilité de Li2O2 et empêchant l'obstruction de la cathode."

Le professeur Chen pense que la nature multidisciplinaire du consortium, avec des partenaires spécialisés dans les sciences de matériaux, l'électrochimie, la conception d'assemblage des batteries et d'autres, a permis de réaliser ce succès. Et c'est cela qui contribue également à sa commercialisation future.

"Il s'agit d'un projet de recherche au stade préliminaire", conclut le professeur Chen. "Nous avons réussi à atteindre nos objectifs mais les résultats n'ont été validés qu'à l'échelle de laboratoire. Nous avons encore beaucoup à faire pour transposer nos batteries sur le marché, notamment en ce qui concerne les défis de production de matières premières, l'amélioration des technologies de batteries Li-air et de l'équipement associé."

Pour plus d'information voir: projet STABLE