Les piles à combustible lithium-oxygène présentent des niveaux de densité énergétique comparables à ceux des combustibles fossiles et sont donc considérées comme un candidat prometteur pour les futurs besoins énergétiques liés aux transports.

Plusieurs obstacles s'opposent à la réalisation de cette vision, toutefois. Ils comprennent une mauvaise recharge, efficacité réduite en raison de surtensions élevées (plus d'énergie de charge que d'énergie de décharge) et d'une énergie spécifique faible.

Deux instabilités contribuent à ces blocages. Une grande partie des travaux antérieurs effectués dans le laboratoire de Lynden Archer, la James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering à la Robert F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering (CBE), s'est centré sur l'un :la nucléation et la croissance des dendrites d'une électrode à l'autre, ce qui provoque un court-circuit, une source de défaillance prématurée des cellules qui se termine invariablement par des incendies.

C'est l'autre instabilité - la perte de puissance de la batterie, également connu sous le nom de perte de capacité – c'est l'objet des travaux les plus récents du laboratoire. Snehashis Choudhury, doctorant dans le groupe de recherche Archer, a trouvé ce qu'Archer appelle une réponse « ingénieuse » au problème de l'évanouissement de la capacité.

Leurs travaux sont détaillés dans "Designer interphases for the lithium-oxygen electrochemical cell, " publié le 21 avril dans Avancées scientifiques . Choudhury est co-premier auteur avec Charles Wan '17, une majeure en génie chimique.

La perte de capacité se produit lorsque l'électrolyte, qui transporte les ions chargés de l'électrode négative (anode) vers la positive (cathode), réagit avec les électrodes. "Ça commence à consommer les électrodes, " a déclaré Choudhury. " Il forme de nombreux produits isolants qui entravent le transport des ions. Heures supplémentaires, ceux-ci s'accumulent pour produire une résistance de cellule interne tellement prohibitive que finalement la batterie s'estompe."

Le problème :comment arrêter une réaction électrolyte-électrode, quand c'est une autre réaction nécessaire entre les deux – le transfert d'ions – qui produit de l'énergie ? La solution de Choudhury s'appelle une interphase artificielle d'électrolyte solide (SEI), un matériau qui protège les électrodes tout en favorisant la circulation des électrons d'un bout à l'autre de la cellule.

"De telles interphases se forment naturellement dans toutes les cellules électrochimiques… et leur stabilité chimio-mécanique est essentielle au succès de l'anode en graphite dans les batteries lithium-ion, " Dit Archer. "

L'approche de Choudhury pour créer une interphase de conception fonctionnelle est basée sur des polymères ioniques contenant du bromure (ionomères) qui s'attachent sélectivement à l'anode de lithium pour former un revêtement conducteur de quelques nanomètres d'épaisseur qui protège l'électrode de la dégradation et de la décoloration. Les ionomères SEI présentent trois attributs qui permettent une stabilité accrue pendant l'électrodéposition :protection de l'anode contre la croissance des dendrites; médiation réduction-oxydation (redox), ce qui réduit les surtensions de charge; et la formation d'une interphase stable avec le lithium, protéger le métal tout en favorisant le transport des ions.

Un défi subsiste :toutes les cellules électrochimiques lithium-oxygène de qualité recherche sont évaluées en utilisant de l'oxygène pur comme matériau de cathode actif. Pour un lithium-oxygène commercialement viable (ou lithium-air, comme on l'appelle aussi) cellule, il faudrait extraire l'oxygène de l'air, et que l'oxygène contient également d'autres composants réactifs, comme l'humidité et le dioxyde de carbone.

Si les inefficacités qui limitent les performances des piles à combustible lithium-oxygène peuvent être résolues, les options exceptionnelles de stockage d'énergie offertes par la chimie cellulaire seraient un pas de géant pour le transport électrifié et une avancée révolutionnaire pour la robotique autonome, dit Archer.

"Il est révélateur d'après les observations des robots humanoïdes les plus avancés qu'ils sont toujours soit attachés à un câble électrique ultra-long, soit utilisent quelque chose comme un moteur de tondeuse à gazon puissant pour générer de l'énergie, " Archer a déclaré. "L'une ou l'autre source d'énergie se compare mal à celles que les systèmes vivants ont développées - les technologies de stockage d'énergie telles que les cellules Li-air qui exploitent les matériaux de l'environnement promettent de combler cet écart. "

Les autres contributeurs étaient Lena Kourkoutis, professeur adjoint et membre de la faculté Rebecca Q. et James C. Morgan du 150e anniversaire de la physique appliquée et de l'ingénierie ; le doctorant du CBE Wajdi Al Sadat; Sampson Lau, doctorat '16 ; Zhengyuan Tu, doctorant en science et ingénierie des matériaux; et Michael Zachman, doctorant en physique appliquée et ingénieur.

Archer a noté que Wan et Lau ont construit la cellule électrochimique, y compris la conception de la configuration de cathode, utilisé dans leur expérimentation.

"Charles est un étudiant de premier cycle exceptionnel, " Archer a déclaré. "Les étudiants de premier cycle sont ici principalement pour se concentrer sur l'obtention d'une éducation de premier ordre et historiquement, ils ont eu peu de temps pour mener des recherches. Mais ils s'engagent de plus en plus dans la recherche, et à un niveau qui, dans certains cas, est comparable à notre meilleur doctorat. étudiants."

"Je suis vraiment chanceux d'avoir le professeur Archer comme mentor, " a déclaré Wan. " Cette publication est la preuve que les étudiants de premier cycle peuvent jouer un rôle essentiel dans la recherche s'ils en ont l'occasion, quelque chose que le professeur Archer croit de tout cœur."