Une cathode à air pour des batteries Li-O2 !

Publié par Adrien le 21/10/2021 à 09:00
Source: CEA

(c)Tony Boehle
Des chercheurs de l'Iramis ont testé un matériau hybride poreux (Metal-Organic Framework ou MOF) pour la cathode d'une nouvelle famille de batteries au potentiel prometteur.

Les batteries lithium-oxygène (Li-O2) pourraient en théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) bénéficier d'une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) massique d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) stockée vingt fois plus élevée que celle des batteries Li-ion: 3500 Wh/kg. Pour que Li-O2 devienne une alternative sérieuse au Li-ion, il reste de nombreux verrous à lever, parmi lesquels la perte rapide de performance après seulement quelques cycles de charge-décharge.

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) à 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,...) poreux. De manière réversible, quand la batterie est en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...), ce Li2O2 libère des ions Li+ dans l'électrolyte et O2.

Cette cathode "à air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...)" est ainsi le siège de la réduction de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) de l'air au cours de la décharge et d'un dégagement d'oxygène au cours de la charge et doit, de plus, stocker le Li2O2 insoluble. Ces trois points sont essentiels pour les performances de la batterie, ce qui explique la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) active de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) pour cette cathode.

Les solides hybrides Metal-Organic Framework (En programmation informatique, un framework est un kit de composants logiciels structurels, qui...) (MOF) semblent de bons candidats en raison de leur forte porosité et de leur grande surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) spécifique. Ils sont constitués d'assemblages de briques inorganiques métalliques, reliées entre elles par des ligands organiques, via des liaisons de coordination fortes, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) ainsi des réseaux cristallins multidimensionnels. Certains d'entre eux (dits flexibles) voient leur structure "respirer" à la suite d'une variation de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ou de l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des...) de molécules hôtes.

Des chercheurs de l'Iramis ont étudié les propriétés électrochimiques d'un MOF flexible - MIL-53 (Matériaux de l′Institut Lavoisier) à l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) - synthétisé selon deux méthodes conduisant à des morphologies de matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) différentes.

Les tests électrochimiques réalisés avec des électrodes de MIL-53 montrent les mêmes performances quelle que soit la méthode de synthèse, hydrothermale ou microonde.

Selon la valeur de la capacité de la première charge, différents scénarios se dessinent:
- pour une valeur élevée, les capacités de charge suivantes chutent rapidement,
- pour une valeur modérée, la capacité de décharge est équivalente à celle de charge, ce qui montre que la réduction de l'oxygène a pu avoir lieu,
- pour une très faible valeur, la capacité de la 2e charge est élevée, la réduction de l'oxygène et la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils...) de Li2O2 se mettent en place.

Les études ex situ de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) de rayons X, microscopie électronique à balayage (La microscopie électronique à balayage (MEB ou SEM pour Scanning Electron Microscopy en...) ou spectrométrie photo-électronique X ont été réalisées sur la cellule démontée après un cycle de décharge, puis dix. Elles confirment que le produit de décharge formé (Li2O2) est bien encapsulé dans les pores du solide MIL-53, ce qui démontre la capacité de stockage de ce matériau. Dans tous les cas, le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de cycles de charge-décharge à pleine capacité reste cependant encore très limité.

Ces travaux se poursuivent par l'étude de MOF avec d'autres centres métalliques (fer, vanadium) pour améliorer ce dernier point (Graphie).

Ils ont été réalisés en collaboration avec l'École supérieure de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) industrielles de la ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour...) de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) (ESPCI).

Références:
MIL-53 Metal-Organic Framework as a Flexible Cathode for Lithium-Oxygen Batteries, Materials
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