Les batteries lithium-air produisent de l'énergie à partir de l'air, et sont souvent appelées batteries lithium-oxygène. Elles sont beaucoup plus légères que les batteries lithium-ion en raison de leur densité énergétique plus élevée. Les batteries lithium-air ont des applications, notamment l'augmentation de l'autonomie des voitures électriques sur une seule charge. Cependant, malgré leurs avantages, la production industrielle de batteries lithium-air est entravée par des problèmes fondamentaux qui ne peuvent être surmontés à l'heure actuelle.

Artem Sergueïev, un doctorat étudiant du Département de physique des polymères et des cristaux de l'Université d'État Lomonossov de Moscou et l'un des co-auteurs dit, "Une batterie lithium-air pourrait potentiellement avoir une énergie spécifique trois à cinq fois plus élevée que les batteries lithium-ion modernes. L'un des principaux problèmes de développement des batteries lithium-air est la passivation des électrodes, qui est la transition de la surface du matériau de l'électrode dans un état inactif. Nous avons obtenu de nouvelles données concernant le mécanisme de réaction et suggéré quelques idées sur la façon d'inhiber la passivation des électrodes. La technique pourrait être utilisée pour des solvants plus appropriés, électrolytes et matériaux d'électrode.

L'atmosphère est un mélange de gaz, mais de l'oxygène pur est nécessaire au fonctionnement des batteries lithium-air. Le dioxyde de carbone et l'humidité des gaz atmosphériques ralentissent les réactions d'oxydoréduction sous-jacentes au fonctionnement de la batterie. Certaines estimations suggèrent qu'il faudra de cinq à dix ans pour surmonter ces obstacles. Les scientifiques de l'Université d'État Lomonossov de Moscou étudient les processus empêchant le fonctionnement robuste des batteries lithium-air.

Alexeï Khokhlov, l'un des auteurs, dit, "Généralement, en cas de réussite de l'élaboration, la batterie doit être au lithium-air, impliquant l'utilisation de l'air ambiant. Des membranes spéciales pourraient séparer les composants atmosphériques indésirables, notamment l'humidité et le dioxyde de carbone. Mais actuellement, il y a aussi des problèmes plus fondamentaux, et pour les résoudre, nous utilisons des piles lithium-oxygène et livrons de l'oxygène pur à partir de bouteilles de gaz."

La cathode (une électrode positive) dans une batterie lithium-air est représentée par une éponge de carbone poreuse contenant la solution d'électrolyte avec des ions lithium. La cathode est en contact avec l'environnement gazeux extérieur, qui est nécessaire pour fournir de l'oxygène à l'électrolyte, qui est un conducteur d'ions liquides. Les scientifiques ont simulé l'interface entre l'électrode et la solution d'électrolyte à la cathode d'une batterie lithium-air et ont proposé une approche pour inhiber la passivation de l'électrode. Les chercheurs ont utilisé le complexe de superordinateurs de l'Université d'État Lomonossov de Moscou pour la simulation de tous les atomes à l'aide de méthodes de dynamique moléculaire.

Alexeï Khokhlov dit, "Il existe un grand nombre de processus et de réactions parallèles se produisant à la cathode pendant le fonctionnement de la batterie lithium-air. Malheureusement, l'étude expérimentale des différentes étapes de ces processus s'avère souvent impossible, tandis que la simulation d'étapes séparées des réactions à l'aide de superordinateurs permet de tracer les tendances de base dans les étapes que nous étudions. »

Les scientifiques ont découvert que la réduction des anions superoxyde conduisant à la passivation des électrodes n'est possible qu'après sa liaison avec des cations lithium.

Alexei Khokhlov résume :« Nous avons compris que la formation de produits de décharge non conducteurs directement sur la surface de l'électrode (sa passivation) n'a lieu qu'après la liaison d'un intermédiaire (anion superoxyde) avec des ions lithium, qui sont très concentrés près de la surface de l'électrode. Si vous les déplacez, pas la passivation, Probablement, procéder si rapidement."