Les batteries lithium-air sont en passe de devenir le prochain remplacement révolutionnaire des batteries lithium-ion actuellement utilisées qui alimentent les véhicules électriques, téléphones portables et ordinateurs.

Batteries lithium-air, qui sont actuellement encore au stade expérimental de développement, peut stocker 10 fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion, et ils sont beaucoup plus légers. Cela dit, les batteries lithium-air pourraient être encore plus efficaces et fournir plus de charge grâce à l'incorporation de catalyseurs avancés fabriqués à partir de matériaux bidimensionnels. Les catalyseurs aident à augmenter le taux de réactions chimiques à l'intérieur des batteries, et selon le type de matériau à partir duquel le catalyseur est fabriqué, ils peuvent aider à augmenter considérablement la capacité de la batterie à contenir et à fournir de l'énergie.

« Nous allons avoir besoin de batteries à très haute densité énergétique pour alimenter les nouvelles technologies avancées intégrées aux téléphones, ordinateurs portables et notamment véhicules électriques, " dit Amin Salehi-Khojin, professeur agrégé de génie mécanique et industriel au Collège d'ingénierie de l'UIC. Salehi-Khojin et ses collègues ont synthétisé plusieurs matériaux 2D pouvant servir de catalyseurs. Un certain nombre de leurs matériaux 2-D, lorsqu'il est incorporé dans des batteries lithium-air expérimentales comme catalyseur, a permis à la batterie de contenir jusqu'à 10 fois plus d'énergie que les batteries lithium-air contenant des catalyseurs traditionnels. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Matériaux avancés .

"Actuellement, les véhicules électriques font en moyenne environ 100 miles par charge, mais avec l'incorporation de catalyseurs 2-D dans les batteries lithium-air, nous pourrions fournir plus de 400 à 500 miles par charge, ce qui changerait vraiment la donne, " dit Salehi-Khojin, qui est également l'auteur correspondant de l'article. "Ce serait une énorme percée dans le stockage d'énergie."

Salehi-Khojin et ses collègues ont synthétisé 15 types différents de dichalcogénures de métaux de transition 2D ou TMDC. Les TMDC sont des composés uniques car ils ont une conductivité électronique élevée et un transfert d'électrons rapide qui peuvent être utilisés pour participer à des réactions avec d'autres matériaux, telles que les réactions qui se produisent à l'intérieur des batteries pendant la charge et la décharge.

Les chercheurs ont étudié expérimentalement les performances de 15 TMDC en tant que catalyseurs dans un système électrochimique imitant une batterie lithium-air.

« Sous leur forme 2D, ces TMDC ont de bien meilleures propriétés électroniques et une plus grande surface réactive pour participer aux réactions électrochimiques au sein d'une batterie alors que leur structure reste stable, " a expliqué Leily Majidi, un étudiant diplômé de l'UIC College of Engineering et premier auteur de l'article.

"Les vitesses de réaction sont beaucoup plus élevées avec ces matériaux par rapport aux catalyseurs classiques utilisés comme l'or ou le platine, " a déclaré Majidi.

L'une des raisons pour lesquelles les TDMC 2D ont si bien fonctionné est qu'ils aident à accélérer les réactions de charge et de décharge se produisant dans les batteries lithium-air.

"Ce serait ce qu'on appelle la bi-fonctionnalité du catalyseur, " a déclaré Salehi-Khojin.

Les matériaux 2-D sont également en synergie avec l'électrolyte, le matériau à travers lequel les ions se déplacent pendant la charge et la décharge.

"Les TDMC 2-D et l'électrolyte liquide ionique que nous avons utilisé agissent comme un système de co-catalyseur qui aide les électrons à transférer plus rapidement, conduisant à des charges plus rapides et à un stockage et une décharge d'énergie plus efficaces."

"Ces nouveaux matériaux représentent une nouvelle voie qui peut faire passer les batteries au niveau supérieur, nous avons juste besoin de développer des moyens de les produire et de les régler plus efficacement et à plus grande échelle, " a déclaré Salehi-Khojin.