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Le mystère des batteries lithium-air : pourquoi sont-elles saluées comme la future star des véhicules électriques ?
Alors que la demande de véhicules électriques et d’énergies renouvelables augmente, les batteries lithium-air (Li-air) sont rapidement devenues le centre d’intérêt de l’industrie en raison de leur densité énergétique théoriquement élevée. Les batteries lithium-air sont des cellules électrochimiques métal-air qui génèrent du courant électrique par l'oxydation du lithium à l'anode et la réduction de l'oxygène à la cathode. La batterie, qui utilise le lithium pour réagir avec l’oxygène de l’environnement, aurait le potentiel d’avoir une densité énergétique comparable à celle de l’essence dans les moteurs à combustion interne.
Théoriquement, la densité énergétique des batteries lithium-air peut atteindre environ 40,1 MJ/kg, soit 11,14 kWh/kg, ce qui lui confère un potentiel inégalé pour une utilisation dans les véhicules électriques.
Selon les recherches existantes, la densité énergétique réelle des batteries lithium-air est également assez impressionnante, allant d'environ 6,12 MJ/kg (1,7 kWh/kg). Ces données dépassent de loin les batteries lithium-ion commerciales actuelles et peuvent théoriquement permettre à un véhicule électrique pesant jusqu'à 2 000 kg de parcourir environ 500 kilomètres. Cependant, pour parvenir à la commercialisation, les batteries lithium-air doivent encore relever des défis majeurs tels que la puissance pratique et la durée de vie du cycle.
Histoire
Le concept des batteries lithium-air est apparu pour la première fois dans les années 1970, lorsqu'elles étaient principalement considérées comme une source potentielle d'énergie pour les véhicules électriques et hybrides. Néanmoins, les défis technologiques ont maintenu le concept en sommeil pendant des décennies, mais les progrès de la science des matériaux ont conduit à un regain d’intérêt pour cette technologie dans les années 2000.
Bien que les avancées technologiques dans les batteries lithium-air aient été impressionnantes, des défis tels que le temps de charge de la batterie, la sensibilité à l’humidité et la faible conductivité du matériau Li2O2 restent des obstacles importants à la commercialisation.
Conception et fonctionnement
Les batteries lithium-air se composent généralement d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte. Lors de la décharge, les ions lithium se déplacent entre l'anode et la cathode à travers l'électrolyte, et les électrons circulent à travers un circuit externe pour effectuer un travail électrique. Lors de la charge, le lithium métallique se dépose sur l'anode et l'oxygène est libéré à la cathode.
Anode
Par rapport à d’autres matériaux métalliques, le lithium métal est le choix d’anode le plus répandu dans les batteries lithium-air. La capacité spécifique élevée des anodes de lithium (3 840 mAh/g) lorsque les conditions sont bonnes est sans aucun doute l'un de leurs avantages, mais elles sont également confrontées à des défis tels que les réactions entre le lithium métal et l'électrolyte et le risque de dendrites de lithium, qui peuvent réduire les performances de la batterie. et la durée de vie.
Actuellement, de nombreux acteurs cherchent à remédier aux impacts négatifs de ce lithium dendritique grâce à de nouveaux matériaux électrolytiques ou à une conception d’interface améliorée.
Cathode
Le gazage cathodique est l’une des technologies de base des batteries lithium-air, et la réaction de réduction de l’oxygène est cruciale pour l’efficacité de la batterie. L'étude a souligné que les catalyseurs métalliques mésoporeux coordonnés au carbone peuvent améliorer efficacement la cinétique de réduction et les performances de capacité spécifique de la cathode, ce qui lui permet de fournir de meilleures performances dans les applications pratiques.
Diversité des électrolytes
Actuellement, il existe quatre voies principales pour la conception des électrolytes des batteries lithium-air : l'électrolyte acide aqueux, l'électrolyte alcalin aqueux, l'électrolyte protonique non aqueux et l'électrolyte anaqueux. Chaque électrolyte présente ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, les électrolytes aqueux peuvent éviter le colmatage de la cathode, mais la réaction du lithium métal à l'eau entraînera de nouveaux risques de sécurité.
La conception de l'électrolyte hybride aqueux-anaqueux tente de combiner les avantages des deux pour créer une batterie lithium-air plus sûre et plus efficace.
Perspectives et défis futurs
Outre les problèmes techniques, les défis auxquels sont confrontées les batteries lithium-air incluent la fiabilité, l’économie et l’acceptation du marché. Alors que la demande de batteries à densité énergétique plus élevée continue d’augmenter, la communauté de recherche scientifique et les entreprises concernées travaillent d’arrache-pied pour résoudre ces problèmes. \
ConclusionLe potentiel théorique et les perspectives d’application pratique des batteries lithium-air sont attrayants, mais de nombreux obstacles techniques et commerciaux doivent encore être surmontés pour assurer leur succès sur le marché des véhicules électriques. Il faudra encore du temps pour prouver si les batteries lithium-air pourront devenir le choix dominant pour les véhicules électriques à l’avenir et comment réaliser cet idéal.
