Les batteries lithium-oxygène sont des dispositifs innovants qui génèrent de l'énergie à partir de l'oxygène atmosphérique piégé à l'intérieur de pores poreux, électrodes à base de carbone. Ces batteries sont nettement plus légères que les batteries lithium-ion traditionnelles, et ont ainsi le potentiel d'étendre l'autonomie des véhicules électriques et hybrides. Cependant, de nombreux défis pratiques demeurent pour les batteries lithium-oxygène, dont le plus notable est l'accumulation de sous-produits de peroxyde de lithium insoluble dans l'électrode de carbone, ce qui peut entraîner l'arrêt de la batterie après seulement quelques cycles de charge.

Maintenant, Zhaolin Liu du A*STAR Institute of Materials Research and Engineering à Singapour, en collaboration avec Aishui Yu et des collègues de l'Université de Fudan en Chine, a développé une électrode en nanotubes de carbone qui permet d'atténuer les problèmes de recharge des batteries lithium-oxygène, grâce à un support en mousse de nickel tridimensionnelle1.

Dans les efforts précédents pour améliorer les performances des batteries lithium-oxygène, les chercheurs ont étudié de nombreux types d'électrodes de carbone perméables, y compris le charbon de bois à grande surface, graphène et aérogels poreux. De telles approches, cependant, compter sur des liants semblables à de la colle pour maintenir les particules de carbone ensemble. Ces liants diminuent les taux de diffusion de l'oxygène à travers l'électrode et peuvent dégrader et obstruer les espaces poreux.

Liu et ses collègues ont entrepris de concevoir une électrode sans liant en se tournant vers la mousse de nickel, une substance peu coûteuse avec une structure tridimensionnelle poreuse qui la rend à la fois rigide et légère. Pour assurer la compatibilité de la mousse avec les batteries lithium-oxygène, l'équipe a cultivé des nanotubes de carbone dopés avec de petites quantités d'azote directement sur sa surface. Il a été démontré que les électrodes de nanotubes de carbone dopés à l'azote possèdent une activité catalytique qui augmente la durée de vie des batteries, et l'équipe a prévu qu'ils pourraient créer des dispositifs améliorés en soutenant ces nanomatériaux avec de la mousse de nickel.

En utilisant le dépôt chimique en phase vapeur, les chercheurs ont pu recouvrir la mousse de nickel de couches de nanotubes de carbone dopé disposés dans des structures typiques de type bambou. Ces nanotubes étaient peu emballés et contribuaient à un réseau de grandes, tunnels interconnectés dans toute la mousse. Selon Liu, ces tunnels facilitent la diffusion de l'oxygène et fournissent des vides critiques où le peroxyde de lithium peut se déposer sans limiter les performances de la batterie.

Lorsqu'ils ont mesuré les performances de leur électrode sans liant, l'équipe a découvert qu'elle pouvait fournir deux fois la capacité électrique d'une électrode à nanotube de carbone dopé à l'azote pur. Liu note que le fort contact électrique entre les nanotubes et le support en nickel supprime l'expansion de volume et limite les effets de polarisation qui entravent la recharge de la batterie. "La prochaine étape sera d'appliquer ces électrodes dans de vraies batteries lithium-oxygène, " il dit.