Une solution pour les piles lithium-air
Publié par Redbran le 05/09/2015 à 00:00
Source: Europa

Illustration: Wikimédia commons
Les batteries rechargeables de lithium-ion (Li-ion) sont traditionnellement utilisées dans les véhicules électriques actuels, mais elles impliquent une recharge après 150 km. Les batteries de lithium-air pourraient bientôt changer cela et des travaux révolutionnaires ont mis en avant de nombreuses considérations de conception.

Une anode (L'anode est l'électrode où a lieu une réaction électrochimique d'oxydation (menant à la production d'électrons) par opposition à la cathode où se produit une réaction électrochimique de réduction (menant à la...) de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) en lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) au lieu de graphite et l'utilisation d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) (O2) de l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...) comme cathode (La cathode est une électrode siège d'une réduction, que l'on qualifie alors de réduction cathodique. Elle correspond à la borne positive (+) dans une pile électrique...) promet une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) énergétique 10 fois plus forte. Néanmoins, la réduction de l'O2 suite à la réaction avec les Li-ions entraîne le dépôt d'un produit solide dans les porosités de cathodes et à l'obturation des cathodes. Les chercheurs ont abordé cette question avec une approche radicale qui n'avait jamais été employée auparavant.

Le financement de l'UE du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) LABOHR (Lithium-air batteries with split (Split (en grec ancien Ασπάλαθος, Aspálathos, en Latin Spalatum, en italien Spalato, en dalmate Spalatro) est la...) oxygen harvesting and redox processes) a permis de conduire (Le permis de conduire est un droit administratif de circuler donnant l'autorisation de conduire certains véhicules dans un pays donné. Il est obligatoire de le posséder pour conduire....) des recherches sur le fonctionnement des batteries de lithium-air dans la configuration immergée (à double phase) avec un double rôle pour l'électrolyte, comme porteur de charge (Un porteur de charge est une particule ou une quasi-particule qui porte une charge électrique. En se déplaçant, les porteurs de charge créent un courant...) et porteur d'oxygène (O2).

Les batteries métal-air traditionnelles, ainsi les piles à combustibles, s'appuient sur des points de contact à trois phases dans la cathode. Les contacts assurent le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal...) des électrons, le transport de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) et le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé...) d'O2. Néanmoins, dans le cas du lithium-air, cette configuration change la porosité et l'hydrophobicité de la cathode en raison de la formation des produits de réduction aux points de contact en trois phases.

Dans des études révolutionnaires, l'équipe a étudié une configuration d'électrodes à points de contact à deux phases (une configuration immergée). L'électrolyte ou le porteur de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) est également utilisée comme porteur d'O2 pour collecter l'O2 de l'air ambiant par un dispositif de collecte d'O2 externe.

Le concept du projet LABOHR emploie des électrolytes liquides ioniques respectueux de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels,...) et des électrodes nanostructurées qui récoltent l'O2 sec de l'air. Les chercheurs ont préparé et testé les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de l'anode et de la cathode, élaboré le concept de récolte de l'O2 et préparé et intégré dans les systèmes d'électrodes de nombreux liquides ioniques ainsi que des électrolytes polymères solides. Des études fondamentales ont fourni (Les Foúrnoi Korséon (Grec: Φούρνοι Κορσέων) appelés plus communément Fourni, sont un...) des paramètres physicochimiques pour le modèle d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de batteries en Li-air.

Bien que l'application pratique des batteries Li-air ne sera pas prête avant une dizaine ou une vingtaine d'années, LABOHR a apporté une contribution importante à l'effort de développement. Les études ont confirmé l'importance d'employer des solutions d'électrolytes à base de fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) ionique pour résoudre les questions de réactivité et de volatilité (En finance, la volatilité est une mesure de l'instabilité du cours d'un actif financier. Elle sert de paramètre de quantification du risque de rendement et de prix d'un actif financier.) de solvants et ont mis en avant les problèmes opérationnels des batteries Li-air dans une configuration à trois phases. Le concept de la "navette (Une navette spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est un véhicule aérospatial réutilisable conçu pour assurer la desserte des stations spatiales en orbite basse mais pouvant...)" de rédox soluble a également ouvert une nouvelle voie possible pour une batterie Li-O2. Parallèlement, les études des électrolytes et des matériaux d'électrode devraient permettre d'établir une application à court terme dans le domaine des batteries Li-ion.
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