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 de métal en lithium au lieu de graphite et l'utilisation d'oxygène (O2) de l'air comme cathode promet une densité 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 LABOHR (Lithium-air batteries with split oxygen harvesting and redox processes) a permis de 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 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 des électrons, le transport de l'hydrogène et le flux 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 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 et des électrodes nanostructurées qui récoltent l'O2 sec de l'air. Les chercheurs ont préparé et testé les matériaux 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 des paramètres physicochimiques pour le modèle d'un ensemble 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 ionique pour résoudre les questions de réactivité et de volatilité 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» 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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