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Unraveling the chemistry of the lithium-air battery by novel solid state NMR techniques

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Pour des véhicules électriques qui fonctionnent avec de l'air

Les batteries lithium-air ont une très grande énergie par poids unitaire, comparé à l'essence. En exploitant la spectroscopie avancée, des scientifiques ont identifié des réactions de batteries et d'espèces qui diminuent l'efficacité dans l'objectif d'optimiser ces batteries.

Énergie

Le matériau actif de la cathode, l'oxygène, est externe à la batterie pour réduire le poids de la batterie. Cela permet une énergie spécifique élevée et un candidat prometteur pour satisfaire les besoins des véhicules électriques sur de longues distances. Néanmoins, la technologie requiert un développement considérable pour arriver à l'étape de commercialisation. L'inefficacité cyclique et les tensions interélectrodes entre la recharge et le déchargement sont parmi les questions importantes. Des scientifiques ont ainsi lancé le projet LANMR («Unraveling the chemistry of the lithium-air battery by novel solid state NMR techniques»), financé par l'UE, pour étudier les réactions électrochimiques et les matériaux pour une optimisation. Les chercheurs se sont concentrés sur les matériaux de l'électrolyte et de la cathode. L'oxydation du lithium à l'anode et la réduction de l'oxygène de l'air ambiant à la cathode génère le courant. Néanmoins, la réaction réversible entre le lithium et l'oxygène pour former le peroxyde de lithium entraîne des espèces de superoxyde intermédiaires très réactives et le peroxyde de lithium lui-même s'oxyde très fortement. Toutes ces espèces réactives démarrent des réactions secondaires qui diminuent l'efficacité de façon à ce que la densité énergétique pratique n'atteigne par les valeurs théoriques prévues. Les scientifiques du projet LANMR ont développé une méthodologie à résonance magnétique nucléaire à état solide (ssNMR) avec une excellente spécificité chimique. Son application leur a permis de démontrer que l'efficacité cyclique et la vie du cycle du système de batterie lithium-air sont dépendantes de l'électrolyte et de la stabilité de l'électrode. Même avec des électrolytes relativement stables, la formation de petites quantités de sous-produits renforce un paramètre intrinsèquement associé à l'efficacité de la pile (surtension de charge). Cela renforce les réactions secondaires et l'accumulation de leurs sous-produits réduit la stabilité de l'électrode de carbone. Les études indiquent que l'ajout d'espèces catalytiques pour éviter toute accumulation de charge devrait être effectué avec soin pour ne pas augmenter les réactions indésirables. Par rapport à d'autres outils, la méthodologie basée sur la ssNMR du projet permet aux chercheurs de mieux comprendre les facteurs affectant l'efficacité. L'équipe a prouvé que cette méthodologie peut constituer un excellent outil analytique flexible pour l'étude des réactions électrochimiques dans les batteries. Cette approche devrait être essentielle au développement de batteries de lithium-air pour une commercialisation prochaine. Avec ces dernières, l'adoption des véhicules électriques pour des transports écologiques sera effective et réduira ainsi l'impact sur le climat mondial.

Mots‑clés

Véhicules électriques, lithium-air, batteries, densité énergétique, état solide, péroxyde de lithium, superoxyde

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