(Phys.org) -- Comme leur nom l'indique, Les batteries Li-air utilisent de l'air pour fonctionner, extraire les molécules d'oxygène à utiliser dans un poreux, cathode à base de carbone, tout en utilisant du lithium dans l'anode. Parce que l'utilisation de l'air signifie que la batterie n'a pas à stocker une source de charge lourde à la cathode, les batteries peuvent fournir une densité d'énergie extrêmement élevée, contenant presque autant d'énergie dans un volume donné que l'essence, et 5 à 10 fois plus que les batteries Li-ion. Malgré cet attrait majeur, Les batteries Li-air sont encore confrontées à de nombreuses limitations qui les empêchent de commercialiser. Dans une nouvelle étude, une équipe de chercheurs s'est attaquée à l'un de ces défis :la réversibilité, ce qui est nécessaire pour pouvoir recharger la batterie plusieurs fois.
Les chercheurs, Thomas Arruda, Amit Kumar, Sergueï Kalinine, et Stephen Jesse du Oak Ridge National Laboratory au Tennessee, ont publié un article dans un récent numéro de Nanotechnologie dans lequel ils explorent les facteurs contrôlant la réversibilité de la croissance des particules sur un électrolyte sous-jacent aux batteries Li-air et aux nanobatteries.
«Nous pensons que ce travail ouvre la voie à l'étude de l'électrochimie irréversible ou quasi-réversible à l'échelle nanométrique - dans des systèmes de matériaux allant des batteries Li-air à des domaines plus établis tels que la corrosion, galvanoplastie, et plein d'autres, " a déclaré Kalinine Phys.org .
« Batteries Li primaires, qui sont non rechargeables et jetables, ont des densités énergétiques élevées et sont disponibles dans le commerce depuis les années 1960; cependant, ils ne peuvent être utilisés qu'une seule fois, ", a déclaré Arruda. « Pour que ces cellules soient compétitives, par exemple, avec des combustibles fossiles (c'est-à-dire applications automobiles), ils ont besoin d'être rechargés par centaines, sinon des milliers, de fois. Considérez le ravitaillement moyen des navetteurs une fois par semaine. Cela équivaut à plus de 500 remplissages au cours d'une décennie. Une batterie Li-air automobile devrait correspondre à ce critère, même sans tenir compte du coût ou d'autres mesures importantes. En réalité, la réversibilité reste la tâche la plus importante et la plus difficile à réaliser pour les batteries Li-air, comme en témoigne l'examen minutieux des principaux experts en batteries.
Lorsqu'une batterie Li-air chargée est utilisée, les ions Li dans l'anode voyagent vers la cathode, où ils réagissent avec l'oxygène via une réaction de réduction de l'oxygène. Les électrons résultant de cette réaction sont ensuite récoltés et utilisés pour fournir de l'électricité aux appareils électroniques. Pour recharger la batterie, les ions Li doivent voyager de la cathode vers l'anode. Comme l'expliquent les chercheurs, la raison pour laquelle il est si difficile de rendre les batteries Li-air rechargeables est que les batteries combinent les processus les plus difficiles utilisés à la fois dans les batteries et les piles à combustible.
« À la base de ces processus se trouve une abondance de chimies défavorables telles que la faible solubilité des produits de réaction (espèces LiOx), cinétique de réaction lente, et la propension du métal Li à réagir défavorablement avec presque tout, », a déclaré Jesse. « Pour le cas de l'anode, l'électrodéposition d'ions Li en Li métallique se déroule souvent avec la formation de particules de Li en forme d'aiguilles appelées dendrites. Ces particules affectent négativement la batterie en (1) se déconnectant de l'anode et donc indisponibles pour participer à la réaction et (2) augmentant le risque de court-circuit interne qui pourrait provoquer un emballement thermique et un incendie. A la cathode, la réaction de réduction de l'oxygène reste un défi aussi important pour les batteries Li-air que pour les piles à combustible. Lorsque les deux réactions sont combinées, ils forment un mélange de produits insolubles qui réagissent difficilement en sens inverse et finissent par étouffer la cathode.
Dans leur étude, les chercheurs ont utilisé un microscope à force atomique (AFM) pour étudier la réversibilité de la batterie en analysant la croissance des particules de Li. Tout en balayant la polarisation d'une pointe AFM de 20 nm sur la surface d'un électrolyte vitrocéramique conducteur Li-ion, ils ont mesuré le changement de hauteur de pointe pendant le processus de cyclage. Ils ont constaté que les augmentations et les diminutions de la hauteur de la pointe correspondent aux changements de courant, leur permettant de démontrer l'existence de la réversibilité ainsi que de cartographier le degré de réversibilité à différents endroits.
À l'avenir, les chercheurs espèrent améliorer encore la réversibilité, et notez que les batteries Li-air sont encore confrontées à de nombreux autres défis avant de pouvoir être commercialisées.
« Des développements technologiques et une ingénierie des systèmes sur tous les principaux composants des batteries Li-air sont nécessaires pour mettre cette technologie sur le marché, ", a déclaré Kalinine. "De meilleurs catalyseurs sont nécessaires sur la cathode, La protection des anodes en Li sans gêne fonctionnelle reste primordiale, et les électrolytes multifonctionnels supérieurs doivent être développés. La nécessité omniprésente de comprendre les processus fondamentaux au niveau le plus élémentaire des composants clés de la batterie reste une priorité absolue. Ce n'est qu'après avoir obtenu une compréhension globale des processus élémentaires que les chimies peuvent être affinées et les systèmes correctement conçus pour répondre aux métriques exigées par l'application.
Si les chercheurs peuvent surmonter ces défis, Les batteries Li-air pourraient potentiellement stocker de l'énergie pour une grande variété d'applications.
« Si les batteries Li-air pouvaient être réalisées, l'application principale serait pour le transport et d'autres situations où la mobilité est nécessaire (comme les ordinateurs portables, etc.) car ils seront très légers pour la quantité d'énergie qu'ils emmagasinent, », a déclaré Arruda. « L'optimisation des batteries Li-air pour inclure un grand nombre de cycles de charge/décharge réduira les coûts et fera des véhicules entièrement électriques une réalité sans avoir besoin de batteries lourdes comme c'est le cas actuellement. Au delà de ça, il est aisé d'envisager l'application de cette technologie (nanobatteries Li-air) à des systèmes microélectromécaniques et nanoélectromécaniques (MEMS et NEMS). Ce sont peut-être les systèmes idéaux pour utiliser de telles sources d'énergie, car ils auraient des demandes d'énergie beaucoup plus faibles et pourraient fonctionner pendant de longues périodes.
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