Des chimistes de l'Université de Waterloo ont résolu avec succès deux des problèmes les plus difficiles concernant les batteries lithium-oxygène, et dans le processus créé une batterie de travail avec près de 100 pour cent d'efficacité coulombienne.

Le nouveau travail, qui paraît cette semaine dans Science , prouve que la conversion à quatre électrons pour l'électrochimie lithium-oxygène est hautement réversible. L'équipe est la première à réaliser une conversion à quatre électrons, qui double le stockage d'électrons du lithium-oxygène, également connu sous le nom de lithium-air, piles.

"Il y a des limitations basées sur la thermodynamique, " a déclaré Linda Nazar, Chaire de recherche du Canada sur les matériaux énergétiques à l'état solide et auteur principal du projet. "Néanmoins, notre travail a abordé des problèmes fondamentaux que les gens essaient de résoudre depuis longtemps."

La haute densité énergétique théorique du lithium-oxygène (Li-O 2 ) et leur poids relativement léger en ont fait le Saint Graal des systèmes de batteries rechargeables. Mais des problèmes de longue date avec la chimie et la stabilité de la batterie en ont fait une curiosité purement académique.

Deux des problèmes les plus graves concernent l'intermédiaire de la chimie cellulaire (superoxyde, LiO 2 ) et le produit peroxyde (Li2O 2 ) la réaction avec la cathode poreuse en carbone, dégrader la cellule de l'intérieur. En outre, le superoxyde consomme l'électrolyte organique dans le processus, ce qui limite grandement la durée de vie du cycle.

Nazar et ses collègues ont remplacé l'électrolyte organique par un sel fondu inorganique plus stable et la cathode de carbone poreuse par un catalyseur d'oxyde métallique bifonctionnel. Puis en faisant fonctionner la batterie à 150 C, ils ont découvert que le produit le plus stable Li2O est formé au lieu de Li2O 2 . Il en résulte une batterie Li-oxygène hautement réversible avec une efficacité coulombique approchant les 100 %.

En stockant O 2 comme oxyde de lithium (Li2O) au lieu de peroxyde de lithium (Li2O 2 ), la batterie a non seulement maintenu d'excellentes caractéristiques de charge, il a atteint le transfert maximal de quatre électrons dans le système, augmentant ainsi le stockage d'énergie théorique de 50 pour cent.

"En échangeant l'électrolyte et l'électrode hôte et en augmentant la température, nous montrons que le système fonctionne remarquablement bien, " dit Nazar, qui est également professeur-chercheur universitaire au département de chimie de Waterloo.