Une percée dans les batteries lithium-air pourrait permettre de mettre davantage de véhicules électriques sur la route

Le professeur adjoint à l’Illinois Tech Mohammad Asadi dirige le développement d’une technologie révolutionnaire qui pourrait rendre les batteries lithium-air commercialement viables pour une utilisation généralisée dans les véhicules électriques et réduire les émissions de carbone.

Le professeur adjoint de génie chimique de l’Illinois Institute of Technology, Mohammad Asadi, a mis au point des solutions à deux problèmes majeurs auxquels sont confrontées les batteries lithium-air. Les batteries lithium-air contiennent plus d’énergie dans un format plus petit que leur homologue plus commun, la batterie lithium-ion, mais jusqu’à présent, les batteries lithium-air ont été négligées dans les applications commerciales parce que les batteries lithium-air avaient tendance à mourir après un nombre réduit de recharges et nécessitaient beaucoup plus d’énergie pour se charger que ce que la batterie pouvait générer par la suite. 

Après avoir travaillé pendant près de dix ans dans l’industrie pétrolière et gazière, M. Asadi s’est intéressé au dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère, notamment à cause de l’industrie des transports, qui consomme environ 38 à 40 % de l’énergie mondiale. « En généralisant l’utilisation des véhicules électriques, on peut réduire considérablement les émissions de carbone dues au transport », explique M. Asadi. « Mais pour mettre davantage de véhicules électriques sur la route, nous aurons besoin de batteries – de beaucoup de batteries. »

Actuellement, les batteries lithium-air sont considérées comme moins viables commercialement que leur homologue, la batterie lithium-ion. Cependant, l’utilisation de batteries lithium-air dans les véhicules électriques présente d’énormes avantages. « Imaginez que vous ayez aujourd’hui un véhicule électrique qui ne peut parcourir que 300 miles avec une seule charge », explique M. Asadi. « Si vous remplacez cette batterie par notre technologie, la technologie de batterie lithium-air, vous pouvez parcourir jusqu’à 1 500 à 2 000 miles – augmentant ainsi votre autonomie de cinq à six fois avec le même poids et le même volume. »

Avec la technologie lithium-air actuelle, les batteries ont tendance à s’épuiser après quelques recharges seulement. Le nombre de fois qu’une batterie peut se recharger est appelé sa durée de vie, et c’est la présence d’air dans la batterie lithium-air qui rend difficile l’obtention d’une longue durée de vie. Lorsqu’elle se charge, une batterie subit une réaction chimique entre l’oxygène et le lithium au niveau du composant chargé négativement à l’intérieur de la batterie, la cathode. D’autres éléments présents dans l’air que nous respirons, le monoxyde de carbone, l’azote et l’eau, peuvent réagir avec le lithium à l’intérieur de la batterie, ce qui encrasse le système, empêche l’oxygène d’atteindre la cathode, entrave la réaction chimique et épuise le lithium de la batterie qui lui permet de fonctionner. 

Cependant, Mohammad Asadi et son équipe d’Illinois Tech ont contribué au développement d’une combinaison unique de composants internes de la batterie qui permettent au lithium et à l’oxygène de réagir avec un minimum d’interférences, comme l’ont rapporté Nature en 2018 et Advanced Materials en 2020. « Avec notre technologie, nous pouvons rendre la chimie de la cathode favorable uniquement aux réactions de réduction et de dégénérescence de l’oxygène, en évitant la formation de sous-produits qui diminuent l’efficacité de la batterie », explique Asadi. 

« Nous avons également mis au point un électrolyte hybride très particulier, très nouveau, qui peut fonctionner ensemble pour absorber ces impuretés. » Ce mélange spécifique pour l’électrolyte, le liquide qui transporte les ions de lithium entre l’anode et la cathode, réduit également la probabilité que le lithium réagisse avec quoi que ce soit pendant son voyage. La conception de cette voie efficace a permis à Asadi de développer une batterie lithium-air avec une longue durée de vie, atteignant 1 200 charges et décharges dans sa conception la plus récente.

Pour résoudre le problème de l’efficacité, Asadi a exploré de nouveaux matériaux de cathode. Dans une batterie, deux réactions doivent se produire à la cathode : la formation de peroxyde de lithium lorsque la batterie est utilisée et l’inverse, la décomposition de ce peroxyde de lithium lorsque la batterie est chargée. Si de nombreux matériaux peuvent être utilisés comme catalyseurs pour accélérer l’une de ces réactions, il a été difficile de trouver un matériau capable d’accélérer les deux, un élément essentiel d’une batterie à haut rendement.  Dans sa conception la plus récente, M. Asadi a testé un matériau peu coûteux appelé nanocatalyseur de phosphure de trimolybdène, qui s’est avéré capable d’accélérer efficacement les deux réactions. « En utilisant notre technologie, nous atteignons l’excès d’énergie le plus faible rapporté pour cette réaction, ce qui nous donne également une perte d’énergie négligeable au cours du cycle », explique Asadi. « C’est la meilleure batterie lithium-air qui existe. »

Bien que ces avancées représentent un énorme pas en avant pour les batteries lithium-air, Asadi affirme qu’il n’y a tout simplement pas assez de lithium sur terre pour créer le nombre de batteries dont nous avons besoin pour un avenir entièrement électrifié. Le lithium-air présente l’avantage de mieux utiliser nos réserves limitées de lithium, mais cela ne suffira pas pour un avenir à plus faible émission de carbone avec davantage de véhicules électriques. Asadi travaille également sur ce problème. 

Heureusement, les principes de base de la conception des batteries sont transposables. M. Asadi pense que d’autres métaux plus abondants peuvent être développés pour créer des batteries dont le stockage d’énergie est comparable à celui des batteries au lithium actuelles.La production de batteries lithium-air plus efficaces et commercialement viables pourrait non seulement révolutionner l’industrie des véhicules électriques, mais aussi être utilisée dans un large éventail d’applications, notamment dans les équipements médicaux, les appareils mobiles et même le stockage d’énergie d’urgence pour les réseaux électriques.