La batterie lithium-air ressort des cartons et affiche une densité énergétique record

La batterie lithium-air ressort des cartons et affiche une densité énergétique record

Des chercheurs japonais ont mis au point une batterie lithium-air avec une densité énergétique supérieure à 500 Wh/kg.

L’institut NIMS (National Institute for Materials Science) et Softbank Corp., tous deux basés au Japon, ont confirmé le développement d’une batterie qui développe les meilleures performances jamais atteintes en termes de densité énergétique et de nombre de cycles de charge et recharge.
Depuis 2018, NIMS mène des recherches intenses sur la batterie lithium-air avec le soutien du programme ALCA-SPRING[1], lequel a été mis en place par le JST (Japan Science and Technology Agency).

Comment fonctionne cette batterie ?

La batterie lithium-air (Li-air) est un accumulateur électrochimique métal-air qui utilise l’oxydation du lithium à l’anode et la réduction de l’oxygène à la cathode pour produire un courant électrique.
La particularité de cette technologie est qu’elle utilise l’oxygène (O₂) contenu dans l’air ambiant pour fonctionner, ce qui a pour avantage d’alléger le poids de l’accumulateur ainsi que son encombrement, puisqu’il ne nécessite aucun système de stockage de l’oxygène.

Conçues dès les années 1970 pour le secteur automobile puis tombées quelque peu en désuétude, les batteries lithium-air ou « lithium-oxygène » ont rencontré un regain d’intérêt après l’an 2000, grâce à des progrès technologiques et la nécessité de développer des solutions de stockage de l’électricité, notamment pour les véhicules et l’informatique embarquée.
On estime que les batteries lithium-air ont une énergie spécifique environ 10 fois supérieure aux batteries lithium-ion actuelles.

De nombreuses applications pratiques

Le secteur automobile a dès lors commencé à marquer un intérêt évident pour les batteries lithium-air afin d’offrir une bonne autonomie aux véhicules électriques, pour un encombrement et un poids réduits. Mais ce nouveau type d’accumulateur peut également trouver des débouchés dans le segment des vélos à assistance électrique, les drones, les smartphones et les systèmes de stockage d’électricité domestiques.

Des progrès technologiques décisifs

En 2015, le problème principal que posait la batterie lithium-oxygène résidait dans la formation de peroxyde de lithium. Ce composé inorganique se formait par réaction chimique entre le lithium et l’oxygène, s’accumulait sur la cathode et finissait par boucher les pores de celle-ci en bloquant les réactions chimiques ultérieures. Après seulement quelques cycles de charge-décharge, les performances de la batterie s’effondraient.
Des expériences à partir d’oxygène pur ont bien été réalisées, mais le poids des bouteilles d’oxygène annihilait totalement l’avantage de la technologie, tout en posant de sérieux problèmes de sécurité.

Les chercheurs de Cambridge ont alors ajouté de l’eau à l’électrolyte et de l’iodure de lithium, obtenant ainsi de l’hydroxyde de lithium (LiOH). Alors que les batteries restituaient jusque-là 70% de l’énergie accumulée, les nouveaux prototypes affichaient des rendements de 93,2%, ce qui représentait une avancée considérable.

En mars 2018, grâce à de nouvelles découvertes d’une équipe de chercheurs de l’Université de Chicago et de l’Argonne National Laboratory,  les nouvelles batteries ont été capables d’encaisser 750 cycles de charge et recharge.
Et à l’heure actuelle, grâce aux derniers développement scientifiques qui permettent de réaliser des cycles de 2000 charges et recharges, la batterie lithium-air offre un énorme potentiel.
La perspective d’une production à grande échelle se concrétise ainsi de plus en plus.

La batterie lithium-Ion bientôt obsolète ?

L’annonce des chercheurs japonais constitue une étape importante qui ouvre la voie à un développement industriel des batteries lithium-air.
Pour comprendre l’intérêt de la mise au point d’un accumulateur doté d’une densité énergétique supérieure à 500 Wh/kg, celle des piles lithium-ion atteint aujourd’hui 200 Wh/kg au mieux, avec une garantie de 1200 cycles environ et une durée de vie moyenne de 7 ans.

Certes, la densité énergétique de l’essence est encore bien meilleure : 3.980 Wh/kg (si l’on considère un rendement du moteur thermique de 30%). Mais il faut bien reconnaître que les carburants pétroliers sont le produit d’un miracle chimio-géologique qui a nécessité des dizaines de millions d’années et qui ne se reproduira plus. Leur utilisation n’est pas durable et engendre des émissions de gaz à effet de serre qui menacent l’existence même de l’humanité.

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[1] ALCA : Advanced Low Carbon Technology Research and Development Program, et SPRING : Specially Promoted Research for Innovative Next Generation Batteries