Batteries Li-O2: 10 fois la capacité des batteries Li-ion

Publié par Adrien le 14/06/2021 à 09:00
Source: CEA

(c)3alexd
Les batteries lithium-oxygène offrent une densité énergétique potentielle dix fois supérieure à celle des batteries lithium-ion, mais souffrent d'une faible durée de vie. Des chimistes de l'Iramis ont conçu une cellule RMN permettant d'analyser finement les processus affectant la batterie en fonctionnement.

Au cours de la décharge d'une batterie Li-O2, les ions Li+ issus de l'anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la...) en lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) forment avec O2 du peroxyde (Un peroxyde est un composé chimique de formule générale R-O-O-R', le groupe -O-O-...) de lithium (Li2O2). De manière réversible, Li2O2 issu de la cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction...) en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) libère des ions Li+ et O2 quand la batterie est en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...).

Pour étudier par résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son...) (RMN) les réactions chimiques à l'oeuvre dans la batterie en fonctionnement, les chercheurs ont dû concevoir un dispositif fermé, incorporant un réservoir d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...), satisfaisant différentes contraintes (encombrement, absence de pièces métalliques, tenue mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...), etc.).

Grâce à cette cellule originale, ils ont pu observer, au cours de la décharge, une baisse de la concentration en lithium métallique au niveau de l'anode, ce qu'ils ont principalement attribué à la formation attendue de Li2O2. Quand la batterie est en charge, le lithium métallique se redépose sur l'anode sous forme de "mousse" et de "dendrites" sans revenir à la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'avant la décharge. L'oxydation de Li2O2 en Li et O2 n'est donc pas complète et une partie du lithium est consommée dans des processus parasites. Ceci est aussi en accord avec l'évolution de la résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) RMN des phases solides pendant la charge, suggérant que des produits irréversibles et parasites se sont également formés, tels que Li2CO3 et l'acétate de Li, ce qui explique le faible rendement de la cellule.

Ces travaux ouvrent la voie à l'analyse RMN operando d'autres batteries métal-oxygène telles que Na-O2, Al-O2 ou Zn-O2, ou de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) dispositif électrochimique demandant un apport de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...), tel qu'une pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...) qui requiert un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) continu de combustibles et d'oxydants au sein même de la cellule.

Références:
Operando NMR characterization of a metal-air battery using a double-compartment cell design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets,...), Solid State Nuclear Magnetic Resonance
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