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Des voitures électriques avec une autonomie identique à celles fonctionnant avec des carburants fossiles, est-ce possible ? Oui, pour les chercheurs du centre pour les technologies énergétiques propres de l’Université de Technologie de Sydney. Ils viennent de publier, dans la revue Science Advances, les résultats de leurs travaux sur la mise au point d’une molécule appelée PDI-TEMPO capable d’améliorer les performances des batteries lithium-oxygène destinées aux véhicules électriques.
Voiture électrique : des batteries qui existent depuis presque 50 ans
La batterie lithium-oxygène n’est pas vraiment nouvelle puisqu’elle a été conçue dans les années 1970 pour le secteur automobile afin de trouver une solution innovante à la crise pétrolière. Dès 1973 aux États-Unis, à la suite du pic de production du pétrole qui entraina une forte dévaluation du dollar, le prix du baril de pétrole connut une envolée spectaculaire qui poussa les recherches vers d’autres sources d’énergie
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Cependant, les performances de ces batteries n’étaient pas à la hauteur et elles tombèrent quelque peu en désuétude. Elles connurent un nouveau regain d’intérêt au début des années 2000 grâce à de nouvelles avancées technologiques et face au besoin de trouver des alternatives aux énergies fossiles.
Mais ce type de batteries est souvent confronté à de nombreux problèmes. Par exemple, le peroxyde de lithium est un composé qui se forme dans certains types de batteries lithium-oxygène. Malheureusement, ce composé s’accumule sur la cathode de la batterie en bouchant ses pores petit à petit. Après quelques cycles de recharge et décharge seulement, la batterie finit par perdre en performance.
Les batteries lithium-oxygène sont évidemment intéressantes pour le secteur automobile afin d’améliorer l’autonomie des véhicules électriques. Mais d’autres secteurs utilisant des accumulateurs électriques pourraient profiter des avancées technologiques comme celle des chercheurs de l’UTS de Sydney en Australie. Citons, par exemple, les vélos à assistance électrique, mais aussi tous les appareils électroniques qui fonctionnent grâce à des batteries rechargeables.
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Fonctionnement d’une batterie qui utilise de l’oxygène
Ces nouvelles batteries pourront peut-être un jour intégrer nos appareils électroniques portables pour une plus grande autonomie.
Une voiture électrique qui utilise des batteries lithium-oxygène fonctionne avant tout grâce à un système qui produit de l’électricité. Elle est constituée des éléments suivants : des électrodes, dont l’une, l’anode ou électrode négative est constituée de lithium, et l’autre, la cathode ou électrode positive est composée de graphite. Un électrolyte baigne les électrodes et assure une libre circulation des électrons et des ions et donc de l’électricité.
Lors de la décharge de la batterie, les atomes de lithium larguent des électrons et deviennent des ions lithium positifs. Ces ions positifs circulent au travers de l’électrolyte et se dirigent vers l’électrode positive où ils réagissent avec l’oxygène de l’air en captant un électron pour former de l’oxyde de lithium qui s’accumule sur la cathode en graphite.
Lors de la charge de la batterie, c’est le phénomène inverse qui se met en place. L’oxyde de lithium (Li2O2) relâche des électrons en produisant de l’oxygène ainsi que des ions lithium positifs. Ces ions lithium traversent l’électrolyte et réagissent avec l’électrode négative pour former du lithium métallique en « attrapant » des électrons.
Ces batteries promettent de fournir une énergie de 5 à 15 fois supérieure aux batteries lithium-ion et pourraient, en théorie, stocker jusqu’à 3,5 kWh/kg au maximum. Pourtant, jusqu’à présent, ces batteries lithium-air ou lithium-oxygène ont connu de nombreux problèmes comme une faible capacité de décharge, un mauvais rendement énergétique et des réactions parasites pouvant à la longue altérer fortement leur fonctionnement.
Les chercheurs de l’UTS ont conçu une technologie de pointe permettant de résoudre ces obstacles en offrant la possibilité de créer des batteries lithium-oxygène qui durent très longtemps et qui possèdent une grande densité énergétique.
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Une nouvelle molécule synthétique « tout-en-un » qui bloque les réactions parasites
Les scientifiques australiens ont créé une molécule sur mesure qui agit comme un médiateur redox en agissant comme un catalyseur des réactions de décharge et de charge. Cette molécule complexe que les chercheurs ont nommée PDI-TEMPO est constituée d’un radical superoxyde relié à un squelette de pérylène diimide.
Cette molécule tout-en-un peut supprimer les réactions parasites relatives aux radicaux superoxydes qui ont jusque maintenant la fâcheuse habitude de boucher les pores de la cathode de la batterie et permet aussi de limiter les traces d’oxygène « singulet » qui est un état instable de l’oxygène qui se forme notamment dans la réaction de l’eau oxygénée mélangée à l’eau de javel. Enfin, la molécule PDI-TEMPO permet de lutter contre les problèmes de surtension au sein de la batterie et d’éviter la corrosion du lithium métallique.
Cette nouvelle batterie lithium-oxygène qui utilise la molécule PDI-TEMPO présente une capacité de décharge multipliée par 46, un surpotentiel de charge de 0,7 v et une très longue durée de vie qui va bien au-delà de 1500 cycles.
Ce nouveau type de batterie lithium-oxygène va améliorer de manière considérable les performances des véhicules électriques, surtout en termes d’autonomie et de durabilité. Il s’agit sans nul doute d’un grand bond en avant pour l’industrie en plein essor de la propulsion électrique.
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Source : www.science-et-vie.com
