Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago et du Laboratoire national d'Argonne ont conçu une nouvelle batterie lithium-air qui fonctionne dans un environnement à l'air naturel et qui fonctionne toujours après un record de 750 cycles de charge/décharge. Leurs découvertes sont publiées dans la revue La nature .

"Notre conception de batterie lithium-air représente une révolution dans la communauté des batteries, " dit Amin Salehi-Khojin, professeur adjoint de génie mécanique et industriel et co-auteur de l'article. "Cette première démonstration d'une véritable batterie lithium-air est une étape importante vers ce que nous appelons les batteries 'au-delà du lithium-ion', mais nous avons encore du travail à faire pour le commercialiser."

Les batteries lithium-air - censées pouvoir contenir jusqu'à cinq fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion qui alimentent nos téléphones, ordinateurs portables et véhicules électriques, intriguent les chercheurs sur les batteries depuis des années. Mais plusieurs obstacles ont entravé leur développement.

Les batteries fonctionneraient en combinant le lithium présent dans l'anode avec l'oxygène de l'air pour produire du peroxyde de lithium sur la cathode pendant la phase de décharge. Le peroxyde de lithium serait décomposé en ses composants lithium et oxygène pendant la phase de charge.

Malheureusement, les conceptions expérimentales de ces batteries lithium-air n'ont pas pu fonctionner dans un véritable environnement naturel à cause de l'oxydation de l'anode au lithium et de la production de sous-produits indésirables sur la cathode résultant de la combinaison des ions lithium avec le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau dans le air. Ces sous-produits encrassent la cathode, qui finit par devenir complètement recouvert et incapable de fonctionner. Ces batteries expérimentales reposaient sur des réservoirs d'oxygène pur, ce qui limite leur fonctionnalité et pose de graves risques pour la sécurité en raison de l'inflammabilité de l'oxygène.

"Quelques autres ont essayé de construire des cellules de batterie lithium-air, mais ils ont échoué en raison d'une mauvaise durée de vie, " a déclaré Larry Curtiss, co-auteur principal et Argonne Distinguished Fellow.

L'équipe de recherche UIC-Argonne a relevé ces défis en utilisant une combinaison unique d'anode, cathode et électrolyte - les trois principaux composants de toute batterie - pour empêcher l'oxydation de l'anode et l'accumulation de sous-produits destructeurs de batterie sur la cathode et permettre à la batterie de fonctionner dans un environnement d'air naturel.

Ils ont recouvert l'anode de lithium d'une fine couche de carbonate de lithium qui permet sélectivement aux ions lithium de l'anode d'entrer dans l'électrolyte tout en empêchant les composés indésirables d'atteindre l'anode.

Dans une batterie lithium-air, la cathode est simplement l'endroit où l'air entre dans la batterie. Dans les conceptions expérimentales de batteries lithium-air, oxygène, avec tous les autres gaz qui composent l'air, pénètre dans l'électrolyte à travers une structure en treillis spongieux à base de carbone.

Salehi-Khojin et ses collègues ont recouvert la structure en treillis d'un catalyseur au bisulfate de molybdène et ont utilisé un électrolyte hybride unique composé de liquide ionique et de diméthylsulfoxyde, un composant commun des électrolytes de batterie, qui a contribué à faciliter les réactions lithium-oxygène, minimiser les réactions du lithium avec d'autres éléments dans l'air et augmenter l'efficacité de la batterie.

"La refonte architecturale complète que nous avons effectuée sur cette batterie en repensant chaque partie de celle-ci, nous a aidés à activer les réactions que nous voulions et à prévenir ou bloquer celles qui finiraient par provoquer l'épuisement de la batterie, " dit Salehi-Khojin.

L'équipe de l'UIC a construit, testé, analysé et caractérisé les cellules de la batterie. Le groupe Argonne, avec des collègues de l'UIC et de la California State University, effectué les analyses informatiques.