Comment augmenter l'autonomie des batteries ? En s'intéressant au phénomène de redox anionique, réaction d'oxydo-réduction additionnelle du processus cationique "classique" des batteries Li-ions, ouvrant théoriquement la voie à une augmentation de 20 % de l'autonomie des batteries. Un travail mené par une équipe du
Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) sur le stockage électrochimique de l'
énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (RS2E) et publié dans la revue
Nature Energy.
En haut, schéma de la redox cationique (une étape) ; En bas, schéma de la redox anionique (multi-étape)
© Gaurav Assat et al. 2019
Le processus de redox anionique, phénomène d'oxydation-réduction additionnel au redox cationique "classique", est prometteur pour les batteries mais s'accompagne malheureusement d'une "hystérésis de
tension (La tension est une force d'extension.)" (différence importante de tension entre charge/décharge): une partie de l'énergie du système est perdue par dissipation de
chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...). En plus de la perte d'énergie, cette dissipation pose un problème de sécurité. Dans une batterie en fonctionnement, elle provoque une
surchauffe (La surchauffe est une opération physique qui a lieu dans un moteur à vapeur.) et peut être responsable d'un emballement
thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...). Les mécanismes et conditions thermochimiques de cette hystérésis sont mal connus. Une équipe du RS2E, menée par le Prof. Jean-Marie Tarascon (Chimie du solide et de l'énergie, CNRS/Collège de France/Sorbonne Université), s'est penchée sur ces questions grâce à une technique peu utilisée: la
calorimétrie (La calorimétrie est la partie de la thermodynamique qui a pour objet la mesure des quantités de...) isothermique.
Cette technique permet d'analyser le comportement thermique de systèmes de stockage, en sondant les variations d'énergie et de désordre atomique au coeur des batteries (enthalpie et entropie). Cela permet d'en déduire les mécanismes ayant lieu au niveau de la cathode lors de sa
charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) et de sa décharge. Étudiant un
matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) modèle nommé LRSO, les scientifiques ont montré que l'oxydation/réduction électrochimique des anions est immédiatement suivie d'un réarrangement de la structure pour la stabiliser. Les dissipations de chaleur sont dues à ces réarrangements et à l'
entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) qu'ils produisent car le mécanisme est thermodynamiquement hors équilibre.
Cette compréhension fondamentale des mécanismes devrait permettre, à terme, à une
recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) appliquée de développer de nouvelles approches pour atténuer l'hystérésis de tension, minimiser la génération de chaleur dans les
matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et donc approcher une
efficacité énergétique (En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou...) de 100 %.
Les auteurs de l'article espèrent d'autre part que leur nouvelle méthode de caractérisation des batteries encouragera la communauté des électrochimistes à s'approprier la calorimétrie isothermique pour l'étude d'autres systèmes.
Références
Gaurav Assat, Stephen L. Glazier, Charles Delacourt, Jean-Marie Tarascon.
Probing the thermal effects of voltage hysteresis in anionic redox-based lithium-rich cathodes using isothermal calorimetry
Nature Energy - Juillet 2019
DOI: 10.1038/s41560-019-0410-6