Depuis 2012, Stefan Freunberger de l'Institut de chimie et de technologie des matériaux de la TU Graz a travaillé sur le développement d'une nouvelle génération de batteries avec des performances améliorées et une durée de vie plus longue, et qui sont aussi moins chers à produire que les modèles actuels. Il pense que les batteries lithium-oxygène ont un potentiel important. En 2017, dans le cadre de son travail, Freunberger a découvert des parallèles entre le vieillissement des cellules dans les organismes vivants et dans les batteries. Dans les deux cas, l'oxygène singulet hautement réactif est responsable du processus de vieillissement. Cette forme d'oxygène, qui a fait l'objet des recherches de Freunberger au cours des dernières années, se produit lorsque les batteries lithium-oxygène sont chargées ou déchargées. Le chercheur basé à Graz a maintenant trouvé des moyens de minimiser les effets négatifs de l'oxygène singulet, et ses découvertes ont été publiées dans des revues renommées Communication Nature et Angewandte Chemie .

Des médiateurs redox stables, la clé de l'efficacité énergétique

Dans son article de Communication Nature , Freunberger décrit l'effet de l'oxygène singulet sur ce qu'on appelle les médiateurs redox, qui peut être réversiblement réduit ou oxydé. Le travail a été réalisé en collaboration avec des chercheurs de Corée du Sud et des États-Unis. Les médiateurs redox jouent un rôle essentiel dans le flux d'électrons entre le circuit extérieur et le matériau de stockage de charge dans les batteries à oxygène, et ont également un impact considérable sur leurs performances. Le principe des médiateurs est emprunté à la nature, où ils sont responsables d'une multitude de fonctions différentes dans les cellules vivantes, y compris la transmission de l'influx nerveux et la production d'énergie. "Jusqu'à présent, on supposait que les médiateurs redox sont désactivés par les superoxydes et les peroxydes. Mais nos expériences ont montré que cela est dû à l'action de l'oxygène singulet, " a déclaré Freunberger. Les chercheurs ont utilisé les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité pour démontrer pourquoi certaines classes de médiateurs sont plus résistantes à l'oxygène singulet que d'autres. Ils ont également identifié ses voies d'attaque les plus probables. médiateurs redox plus stables. « Plus les médiateurs sont stables, le plus efficace, réversibles et durables les batteries deviennent, " expliqua Freunberger.

DABCOnium offre une protection efficace contre l'oxygène singulet

En plus de désactiver les médiateurs redox, l'oxygène singulet déclenche également des réactions parasites, qui compromettent la durée de vie et la recharge de la batterie. Donc, Freunberger a essayé d'identifier un extincteur approprié qui transforme l'oxygène singulet produit en oxygène triplet inoffensif, qui se produit dans l'air - la biologie l'a orienté dans la bonne direction. "Une enzyme appelée superoxyde dismutase bloque la formation d'oxygène singulet dans les cellules vivantes. À sa place, J'ai utilisé du DABCOnium - qui est un sel du composé organique azoté DABCO - dans mes expériences. et est compatible avec une anode lithium-métal. De cette façon, pour la première fois Freunberger a créé des conditions pour charger des piles à oxygène au lithium qui étaient en grande partie exemptes de réactions secondaires - en d'autres termes, sans réactions parasites. Cependant, comme Freunberger l'a montré l'année dernière, l'oxygène singulet pose également problème dans les batteries lithium-ion de dernière génération, ainsi que dans les batteries à oxygène. Cela signifie que les quenchers sont également importants pour le premier. Freunberger a publié les détails de cet extincteur d'oxygène singulet dans le journal Angewandte Chemie .

Cas idéal :Combiné médiateur et quencher

La prochaine étape de la recherche de Freunberger consistera à fusionner ses découvertes et à développer une nouvelle classe de médiateurs. Ceux-ci doivent être particulièrement résistants à l'attaque de l'oxygène singulet et également le combattre efficacement en réalisant une fonction de trempe. Cela prolongerait considérablement la durée de vie des batteries lithium-oxygène et maximiserait l'efficacité énergétique.