Matériaux pour les batteries du futur

Les batteries lithium (Li)-eau et Li-air/O2 rechargeables sont des objectifs importants pour la recherche car leur densité énergétique est théoriquement 10 à 30 plus élevée (~5-12kWh/kg) que celle des systèmes de stockage d’énergie conventionnels (~0.4 kWh/kg), ce qui est proche de l’essence (13 kWh/kg). De plus, le Li-métal assure une densité énergétique spécifique (3800 Ah/kg) bien supérieure aux autres batteries métal-O2 (820 Ah/kg pour Zn ou 2900 Ah/kg pour Al). Le défi consiste à les faire fonctionner de manière réversible et sûre. De plus, les conditions pH extrêmes entraînent des problèmes techniques tels que l’encrassage de la membrane.

L’objectif de ce projet de collaboration était de développer une nouvelle génération de batteries Li-air (et Li-eau) sûres et réversibles utilisables comme systèmes de stockage autonome fournissant une densité énergétique élevée. Les chercheurs visaient à développer des électrolytes stables aqueux et non aqueux, de nouveaux matériaux cathodiques résistant aux pH élevés et à l’encrassage, de même qu’un protocole de batterie complet.

Les nouveaux liquides ioniques à base d’éther couronne présentent des propriétés supérieures à celles d’électrolytes commerciaux. Ils assurent un nombre de transfert de cations (>0.5) plus élevé que les électrolytes commerciaux seuls (0.3–0.4). Leur conductivité ionique élevée, associée à une stabilité thermique et chimique élevée, l’ininflammabilité et la bonne stabilité électrochimique promettent une sécurité améliorée. L’électrolyte aqueux réoptimisé au pH maîtrisé a présenté une absence de crasse sur la cathode et une réaction d’oxyréduction réversible.

Après avoir étudié systématiquement la membrane lamellaire au MoS2, les chercheurs comprennent maintenant l’excellente stabilité du MoS2 dans les rudes environnements aqueux, ce qui confère de l’utilité potentielle à ce matériel dans la solution électrolytique sur une grande plage de valeurs pH. L’introduction de bords augmente encore l’activité de la réaction de dégagement d’hydrogène (RDH), ce qui améliorera la performance de la batterie Li-eau. Bénéficiant de l’activité catalytique prometteuse avec le MoS2, une alimentation stable de >2.2V pendant plus de 2.5 jours a été obtenue. Il est envisagé que le nouveau MoS2 favorise la construction d’une série de nouveaux systèmes de conversion et de stockage d’énergie.

Implications pour la recherche

Pour la première fois, l’examen systématique d’une membrane lamellaire de MoS2 a révélé des propriétés telles que la stabilité, le tamisage moléculaire et la diffusion sélective de la matière de la membrane lamellaire. L’étude a aussi enrichi la compréhension du transport moléculaire dans des canaux 2D dans un environnement aqueux. Par ailleurs, l’activité catalytique de MoS2 dans une RDH montre, pour la première fois, des performances prometteuses pour un batterie Li-eau, pour le potentiel d’adaptabilité à la conversion d’énergie électrique et le stockage. Les chercheurs ont aussi établi une nouvelle classe de mélanges – de liquides ioniques à base d’éther couronne – comme nouveaux électrolytes très prometteurs, stables jusqu’à 380°C, ininflammables et possédant d’excellentes propriétés de transport d’ions.

Implications pour la pratique

Une méthode facile pour préparer la membrane de MoS2 sans avoir besoin d’additifs ni agents collants faciliterait la production de masse. Comme il a été démontré, la stabilité des lamelles de MoS2 dans un rude environnement aqueux garantit une application potentielle dans une variété d’électrolytes utilisés dans la conversion d’énergie et les dispositifs de stockage. La démonstration réussie d’un batterie Li-eau pourrait mener à un système d’approvisionnement en énergie et hydrogène (H2), par exemple un générateur de H2 pur pour approvisionner une pile à combustible à l’hydrogène.

Les liquides ioniques nouvellement développés peuvent être utilisés dans une multitude de batteries alcali-métalliques au prix de peu de modifications, ce grâce à leur structure ajustable. Au maximum, ils sont utilisables directement non seulement dans les batteries Li-O2 mais aussi dans des batteries Li-ion avancées en raison de leur conductivité ionique Li+ élevée et leur stabilité électrochimique sur une grande plage.

New rechargeable metal-water and metal-air batteries: fundamental science & feasibility