Accumulateur lithium-air
Un accumulateur lithium-air, aussi appelé accumulateur lithium-oxygÚne, est un type d'accumulateur lithium.
La particularité de cette technique est qu'elle utilise l'oxygÚne contenu dans l'air de l'atmosphÚre pour fonctionner, ce qui a pour avantage d'alléger le poids de l'accumulateur ainsi que son encombrement.
Conçues dĂšs les annĂ©es 1970 pour les vĂ©hicules, elles ont rencontrĂ© un regain d'intĂ©rĂȘt dans les annĂ©es 2000, grĂące Ă des progrĂšs techniques et un besoin croissant de stockage de l'Ă©lectricitĂ©, notamment dans les vĂ©hicules et l'informatique embarquĂ©e.
On estime que les batteries lithium-air ont potentiellement une énergie spécifique 5 à 15 fois supérieure aux batteries lithium-ion actuelles (en excluant la masse de l'oxygÚne consommé)[1].
Principe de fonctionnement
La batterie consiste en une électrode négative, l'anode, constituée de lithium métallique et d'une électrode positive, la cathode[2] souvent réalisée en carbone mésoporeux, qui ne participe pas à la réaction mais permet une plus grande surface de réaction, ainsi que la conduction électrique nécessaire au fonctionnement de la pile. Il existe différentes réalisations possibles de l'électrolyte.
Lors de la dĂ©charge de la batterie, un atome de lithium cĂšde un Ă©lectron au circuit Ă©lectrique et devient un ion lithium positif Li+, selon la demi-Ă©quation : Li â Li+ +eâ. Cet ion traverse l'Ă©lectrolyte, puis arrivĂ© sur l'Ă©lectrode positive, il rĂ©agit avec l'oxygĂšne (sous forme de dioxygĂšne gazeux) en captant un Ă©lectron pour former Li2O2, selon la demi-Ă©quation :
O2 + 2Li+ + 2eâ â Li2O2.
Lors de la charge, c'est la rĂ©action inverse qui se produit. Le Li2O2 cĂšde deux Ă©lectrons, et produit de l'oxygĂšne et deux ions lithium positif Li+, selon la demi-Ă©quation : Li2O2 â O2 + 2Li+ + 2eâ. Les ions lithium ainsi produits traversent l'Ă©lectrolyte, et rĂ©agissent sur l'Ă©lectrode nĂ©gative pour former du lithium mĂ©tallique en captant un Ă©lectron.
La rĂ©action globale de charge et dĂ©charge est donc Li2O2 â 2Li +O2
Technologies et mise en Ćuvre
La tension nominale d'une batterie lithium-air est de 2,91 V.
Il existe 4 approches différentes pour la réalisation pratique :
- Ălectrolyte aqueux
- Ălectrolyte aprotique
- Ălectrolyte solide
- Ălectrolyte mixte aprotique/aqueux
Utilité
Le secteur automobile pourrait ĂȘtre intĂ©ressĂ© par des batteries lithium-air ainsi que le segment des vĂ©los Ă assistance Ă©lectrique, afin d'offrir une bonne autonomie pour un encombrement rĂ©duit aux vĂ©hicules Ă©lectriques. En thĂ©orie, les batteries lithium-air pourraient stocker 3,5 kWh/kg au maximum. Cependant, en raison des contraintes techniques (substrat, isolation de la batterie...), la densitĂ© Ă©nergĂ©tique rĂ©elle sera trĂšs probablement plus faible. La densitĂ© de 1,7 kWh/kg fournie aux roues peut toutefois ĂȘtre envisagĂ©e en raison d'un meilleur rendement des moteurs Ă©lectriques par rapport aux moteurs thermiques[3] - [4].
RĂ©alisations
IBM a commencé ses recherches en 2009, et vise à concevoir des batteries permettant à un véhicule électrique de parcourir 800 kilomÚtres (500 miles)[5].
En , BMW et Toyota collaborent afin de dĂ©velopper la prochaine gĂ©nĂ©ration de batteries lithium-air qui pourraient ĂȘtre utilisĂ©es dans des vĂ©hicules hybrides et Ă©lectriques[6] - [7].
En 2015, des chercheurs ont réalisé un prototype ayant de bonnes performances, mais en utilisant de l'oxygÚne pur, et avec un temps de charge et décharge plus long. Ils ne prévoient pas de modÚle grand public avant une dizaine d'années[8].
En , Ă l'aide de nanoparticules, des chercheurs annoncent une batterie oĂč l'oxygĂšne resterait dans la batterie sans Ă©change avec l'air ambiant[9] - [10].
En , les chercheurs de l'UniversitĂ© d'Ătat de Moscou annoncent travailler sur le sujet, et pensent que des prototypes devraient ĂȘtre rĂ©alisĂ©s entre 2020 et 2025[11].
En , les chercheurs de l'institut japonais NIMS affirment avoir obtenu des performances 15 fois supérieures à celles des batteries lithium-ion classiques en s'aidant de nanotubes de carbone[12].
En , des chercheurs de l'UniversitĂ© de Chicago et de l'Argonne National Laboratory publient dans la revue Nature les rĂ©sultats de leurs travaux qui ont permis d'utiliser l'air ambiant et de maintenir, pendant plus de 750 cycles complets de charge et dĂ©charge, les performances de leur batterie lithium-air, en particulier sa capacitĂ© de stockage dâĂ©lectricitĂ© 5 fois supĂ©rieure Ă celle d'un accumulateur lithium-ion de mĂȘme poids[13]. Cette avancĂ©e a Ă©tĂ© rendue possible par l'ajout d'une couche de carbonate de lithium (Li2CO3) sur l'anode de lithium mĂ©tallique, faisant office de filtre Ă impuretĂ©s. Elle s'est faite au prix d'une baisse de la tension de coupure lors des dĂ©charges, ce qui rĂ©duit l'efficacitĂ© Ă©nergĂ©tique de l'accumulateur ; d'une hausse de la tension de coupure pour la charge ; et d'une impossibilitĂ© de recyclage de l'anode en fin de vie de la batterie[14].
Notes et références
- (en) Cet article est partiellement ou en totalitĂ© issu de lâarticle de WikipĂ©dia en anglais intitulĂ© « Lithiumâair battery » (voir la liste des auteurs).
- Ed. Jurgen O. Besenhard, Handbook of Battery Materials, New Your, Wiley-VCH, 1999, (ISBN 3-527-29469-4).
- Fabien Goubet, « Des batteries lithium-air plus durables », sur letemps.ch, (consulté le )
- (en) G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson et W. Wilcke, « LithiumâAir Battery: Promise and Challenges », The Journal of Physical Chemistry Letters, vol. 1, no 14,â , p. 2193 (DOI 10.1021/jz1005384)
- (en) « The Global Race for Next Generation Battery Power », sur Consumer Technology Association, (consulté le )
- « Batterie : 800 kilomĂštres sans charge, grĂące Ă de lâoxygĂšne (IBM, Lithium-Air) », sur tech vehi, (consultĂ© le )
- (en) BMW Group and Toyota Motor Corporation Deepen Collaboration by Signing Binding Agreements, Revue de presse BMW du 29 janvier 2013
- (en) Non trouvé le 1er septembre 2014, Revue de presse Toyota
- (en) Jonathan Webb, « New lithium-air battery design shows promise », sur BBC, (consulté le )
- David Civera, « Batterie en lithium-oxygÚne : plus sure, plus performante, moins cher », sur tom's hardware, (consulté le )
- AndrĂ© Boily, « NOUVELLE PERCĂE TECHNOLOGIQUE DANS LES BATTERIES LITHIUM-AIR », sur Autonet.ca, (consultĂ© le )
- (en) « Progress Made to Gradually Commercialize Lithium-Air Batteries », sur Azo material, (consulté le )
- (en) « Li-air battery has â15 timesâ the capacity of Li-ion », (consultĂ© le )
- « Batteries lithium-air : des chercheurs amĂ©ricains innovent et fondent lâespoir dâune percĂ©e technologique », automobile-propre, (consultĂ© le )
- (en) Feixiang Wu et Yan Yu, « Toward True Lithium-Air Batteries », Joule, vol. 2, no 5,â , p. 815â817 (DOI 10.1016/j.joule.2018.04.019, lire en ligne, consultĂ© le )