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La révolution des batteries lithium-air : pourquoi les scientifiques renouvellent-ils leur intérêt après les années 2000
La batterie lithium-air (Li-air) est une batterie électrochimique métal-air qui utilise la réaction d'oxydation du lithium à l'anode et la réaction de réduction de l'oxygène à la cathode pour générer du courant électrique. Les scientifiques ont émis l’hypothèse que la combinaison du lithium avec l’oxygène ambiant pourrait théoriquement conduire à une cellule électrochimique avec l’énergie spécifique la plus élevée possible. Selon les recherches, théoriquement, les batteries lithium-air anhydres peuvent atteindre une énergie spécifique d'environ 40,1 MJ/kg lorsqu'elles sont chargées (avec Li2O2 comme produit et en excluant la masse d'oxygène), ce qui est comparable à l'énergie spécifique théorique de l'essence, qui est d'environ 46,8 MJ/kg. C'est très proche.
Bien que les performances des batteries lithium-air actuelles n'aient pas encore atteint le niveau théorique, leur énergie spécifique potentielle est environ cinq fois supérieure à celle des batteries lithium-ion commerciales et peuvent atteindre une autonomie d'environ 500 kilomètres, ce qui a une fois de plus attiré l'attention de la communauté scientifique. Cette technologie.
Historiquement, le concept de batteries lithium-air a été proposé dès les années 1970, initialement comme source d’énergie pour les véhicules électriques et hybrides. Mais à l’époque, le concept était considéré comme comportant des risques disproportionnés par rapport aux avantages, en raison des défis techniques auxquels étaient confrontées les batteries, notamment le temps de charge inversée, la sensibilité à l’azote et à l’eau et la mauvaise conductivité interne. En conséquence, la recherche sur les batteries lithium-air a progressé lentement jusqu’à la fin des années 2000, lorsque le domaine a regagné de l’intérêt grâce aux progrès de la science des matériaux.
Conception et mécanisme de fonctionnement
Le principe de fonctionnement de base des batteries lithium-air est que les ions lithium se déplacent entre l’anode et la cathode dans un électrolyte. Lors de la décharge de la batterie, les électrons sont convertis en énergie électrique via un circuit externe, tandis que les ions lithium se déplacent vers la cathode. Lors de la charge, le lithium métallique se dépose sur l'anode et l'oxygène est libéré à la cathode.
Défis de la cathode et de l'anode
Dans la conception des batteries lithium-air, le lithium métal est généralement utilisé comme anode. Le lithium libère des électrons à l'anode, mais cela oblige également l'anode à faire face à de multiples défis, tels que la réaction avec l'électrolyte, le dépôt dendritique de lithium et les changements chimiques à l'interface de l'électrolyte. Ces défis peuvent entraîner une réduction de la capacité énergétique ou créer un risque de courts-circuits.
Du côté de la cathode, la réaction de réduction de l'oxygène est également confrontée aux problèmes d'accumulation excessive de produits et de faible efficacité du catalyseur, ce qui affecte grandement les performances essentielles des batteries lithium-air.
Innovation dans les électrolytes
Pour relever les défis techniques mentionnés ci-dessus, les chercheurs ont commencé à explorer une variété de conceptions d’électrolytes, notamment des électrolytes aqueux acides, alcalins et anaqueux. Chaque approche électrolytique présente ses propres avantages et inconvénients spécifiques, mais toutes peuvent encore être améliorées.
Commercialisation et perspectives d'avenir
Bien que les performances des batteries lithium-air en laboratoire soient encourageantes, il reste encore de nombreuses difficultés à surmonter sur la voie de la commercialisation. Par exemple, des questions telles que la stabilité à long terme et la durée de vie du cycle doivent être traitées. La demande de l’industrie automobile en batteries, en particulier en batteries à haute densité énergétique, reste le principal moteur du développement des batteries lithium-air.
Compte tenu de la double pression exercée par la demande en électricité et les enjeux environnementaux, les scientifiques ne cesseront jamais leurs recherches. Pourront-ils trouver à l'avenir une solution révolutionnaire qui mènera à la commercialisation de la technologie des batteries lithium-air ?
À l’avenir, les batteries lithium-air ont le potentiel de devenir le choix dominant pour la conduite des véhicules électriques. Ce n’est pas seulement parce que leur densité énergétique élevée peut augmenter considérablement l’autonomie, mais aussi parce qu’elles peuvent rendre le stockage de l’énergie renouvelable plus efficace. Cependant, les limites actuelles de la technologie obligent les chercheurs à continuer à travailler dur et à explorer des voies plus innovantes. Le jour viendra-t-il où les batteries lithium-air changeront réellement notre façon de voyager en véhicule électrique ?
