Chimie

Des batteries lithium-air plus durables

Alors que les batteries lithium-air suscitaient de moins en moins d’intérêt, une découverte fondamentale pourrait amener les industriels à les reconsidérer

Dans les ordinateurs ou dans les smartphones, à bord des drones ou bien des voitures électriques, les batteries sont partout. Et tous ceux qui possèdent l’un ou l’autre de ces appareils en ont déjà fait l’expérience: les technologies actuelles (lithium-ion, nickel-hydrure métallique…) atteignent leurs limites compte tenu de notre appétit énergétique croissant. Nos smartphones doivent être rechargés tous les jours et les véhicules électriques peinent à atteindre les 200 kilomètres d’autonomie en conditions réelles…

De nouvelles technologies sont donc attendues depuis quelques années. Dans les cartons des scientifiques et des industriels, on trouve notamment les batteries lithium-air (ou lithium-oxygène, Li-O2). Ces dernières font parler d’elles cette semaine dans la revue Science, qui publie vendredi 30 octobre les travaux d’une équipe britannique de l’Université de Cambridge. Les auteurs y proposent un nouveau type de batterie Li-O2 qui pourrait remédier au principal inconvénient de ces accumulateurs, à savoir leur durée de vie très faible (quelques dizaines de cycles de charge et recharge).

Sur le papier, les caractéristiques des batteries Li-O2 ont de quoi convaincre, notamment grâce à leur énergie spécifique élevée, autrement dit la quantité d’énergie qu’elles peuvent fournir par rapport à leur masse. «Elles peuvent théoriquement atteindre 3450 wattheures par kilogramme (Wh/kg)», a rappelé en conférence de presse Clare Grey, de l’Université de Cambridge, qui a dirigé ces travaux. A titre de comparaison, les batteries de nos téléphones actuels atteignent environ 200 Wh/kg. Installées dans des voitures électriques, des batteries Li-O2 feraient décoller l’autonomie. Des constructeurs tels que Toyota ou tesla ont d’ailleurs déposé quelques brevets à ce sujet.

Mouvements d’électrons

Comment fonctionnent les batteries au lithium? Comme la plupart des piles, en faisant circuler des électrons. Lorsque vous allumez votre smartphone, les ions lithium contenus dans la batterie migrent de l’anode (l’électrode négative) vers la cathode (l’électrode positive) à travers un liquide conducteur, l’électrolyte. Ce transit d’ions, qui sont chargés électriquement, s’accompagne d’un transfert d’électrons dans le sens inverse. Sauf que ces derniers ne peuvent traverser l’électrolyte. Toute l’astuce consiste donc à les faire passer par un autre chemin, en l’occurrence un circuit électrique externe qui fournit le courant nécessaire au fonctionnement de l’appareil. Sur ce point, les batteries Li-O2 sont identiques aux traditionnelles Li-ion.

Mais l’air dans tout ça? C’est là que réside la particularité de ces accumulateurs: ils utilisent l’oxygène de l’air comme matière première. Lorsqu’ils se déchargent, les ions lithium transitent de l’anode vers la cathode et réagissent avec l’oxygène de l’air, qui est dissous dans l’électrolyte. Dans le même temps, les électrons se déplacent, formant un courant électrique. Après une série de réactions chimiques, la rencontre du lithium et de l’oxygène forme du peroxyde de lithium (Li2O2), un cristal qui va, lors de la charge, se dissocier. Les ions lithium repartent alors en sens inverse, l’oxygène étant quant à lui libéré sous forme gazeuse. Un peu comme si ces batteries inspiraient puis expiraient de l’oxygène!

Voilà pour la théorie. La pratique est évidemment plus compliquée, notamment parce que le Li2O2 pose deux problèmes majeurs. Premièrement, il s’accumule sur la cathode, une membrane poreuse ultrafine généralement constituée de carbone, qu’il finit par encrasser, bouchant tous les pores et bloquant ainsi les réactions chimiques ultérieures. Deuxièmement, il s’agit d’une espèce réactive qui est agressive pour les autres matériaux, et dont la formation s’accompagne de multiples réactions indésirables qui abîment la batterie, d’où leur durée de vie extrêmement modeste. «Une batterie Li-O2 performante doit résoudre tous ces problèmes à la fois», résume Clare Grey.

Une nouvelle chimie

«Les stratégies précédemment développées ont consisté à utiliser un électrolyte le moins réactif possible pour limiter ces réactions indésirables, rappelle Tao Liu, le premier auteur de l’étude. Nous avons abordé le problème sous un autre angle, en cherchant à mettre au point une batterie dont le fonctionnement produit non pas du Li2O2, mais des substances moins agressives pour les autres matériaux».

Ainsi, en ajoutant à l’électrolyte de l’eau et de l’iodure de lithium, les chimistes de Cambridge ont obtenu non plus du peroxyde de lithium, mais de l’hydroxyde de lithium (LiOH), une substance beaucoup moins réactive. «Nous avons établi une nouvelle chimie du lithium et de l’oxygène», résume le chercheur.

Grâce à ces petits réglages chimiques, le prototype de batterie mis au point dans leur laboratoire atteint un rendement de 93,2%. En d’autres termes, lorsqu’on la recharge, leur batterie restitue 93% de l’énergie accumulée. «C’est une avancée considérable, les rendements précédents étaient aux alentours de 70%», commente Jean-Marie Tarascon, professeur de chimie du solide et de l’énergie au Collège de France. A titre de comparaison, les batteries Li-ion actuelles présentent des rendements de l’ordre de 98%.

Et le prototype a encaissé 2000 cycles de charge et décharge sans dommage, une performance considérable. «Clare Grey est une scientifique de grande valeur et son travail sur les batteries Li-O2 est un pas important dans la compréhension des phénomènes de ces batteries», salue pour sa part Hubert Girault, du Laboratoire d’électrochimie physique et analytique à Sion.

«C’est un bel article d’un point de vue scientifique, mais nous sommes encore loin d’une application pratique, nuance Jean-Marie Tarascon. Après avoir beaucoup investi dans cette technologie, plusieurs laboratoires et compagnies privées lui avaient finalement tourné le dos, découragées par les difficultés. Ces travaux apportent une nouvelle vision qui devrait raviver l’intérêt pour les batteries Li-O2».

Beaucoup d’autres technologies sont encore à l’étude. Même si elles sont encore cantonnées aux laboratoires, il ne fait aucun doute que leur commercialisation est une question d’années. Le marché lié à ces nouvelles batteries pourrait peser 14 milliards en 2026, a indiqué un rapport publié début octobre par le cabinet d’études IDTechEx.

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