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La technologie des batteries lithium-air est encore en développement, mais elle représente un projet prometteur pour l’avenir. Les universités, les institutions de recherche telles que les instituts Leibniz ou Helmholtz, ainsi que les départements de développement des entreprises informatiques et automobiles mènent déjà des recherches sur les moyens de les mettre en pratique. Si la batterie lithium-air atteint le stade de la commercialisation, la puissance des batteries par rapport à la norme actuelle augmentera considérablement. Cela favoriserait non seulement la mobilité électrique, mais offrirait également des avantages pour l’alimentation électrique de secours.
Dans cet article, nous vous expliquons le fonctionnement de la batterie lithium-air et le statut de la recherche sur cette technologie.
La structure d’une batterie lithium-air
Comme tous les éléments galvaniques, les cellules d’une batterie lithium-air nécessitent deux électrodes et un électrolyte qui transporte les ions (atomes chargés électriquement) et conduit ainsi l’énergie. Sur ce point, la batterie lithium-air est similaire à une batterie lithium-ion. Néanmoins, il existe quelques différences essentielles dans sa construction par rapport à la technologie lithium-ion classique :
- Alors que les batteries lithium-ion classiques ont une anode en graphite et une cathode basée sur divers oxydes de lithium métallique, une batterie lithium-air a uniquement une électrode négative (anode) en lithium. Ce métal se caractérise par un potentiel électrochimique particulièrement élevé, ce qui est essentiel pour atteindre une densité d’énergie très élevée.
- L’électrode positive (cathode) est constituée de carbone dans une structure en forme de nanogrille pour créer une surface de réaction aussi grande que possible. L’oxygène nécessaire à l’oxydation est prélevé dans l’air ambiant.
La recherche se penche actuellement sur le meilleur électrolyte adapté à la batterie lithium-air. Outre les substances dissoutes, des corps solides en céramique gazeuse ou à base de polymères peuvent également être envisagés comme électrolytes (accumulateurs à état solide). Différentes expériences sont actuellement menées pour tester la durée de vie optimale et des temps de charge réduits.
Fonctionnement d’une batterie lithium-air avec équation de réaction
La représentation schématique de la batterie lithium-air met en évidence son fonctionnement :
- Lors de la décharge, l’électrolyte transporte les ions lithium de l’anode lithium vers la cathode en carbone, où ils réagissent avec l’oxygène de l’air ambiant.
- Lors de la charge, les ions lithium sont transportés de la cathode à l’anode, et l’oxygène est à nouveau séparé et rejeté vers l’extérieur.
Lorsqu’un électrolyte organique non aqueux est utilisé, les deux réactions dans la batterie lithium-air se produisent selon l’équation de réaction suivante :
2 Li + O2 ↔ Li2O2
Avec l’utilisation d’électrolytes liquides aqueux, l’équation de réaction est modifiée comme suit :
4 Li + O2 + 2H2O ↔ 4LiOH
Quels sont les avantages et les inconvénients d’une batterie lithium-air ?
Le plus grand avantage d’une batterie lithium-air est sa densité d’énergie élevée. Théoriquement, il est possible d’atteindre jusqu’à 11 kWh/kg (kilowattheures par kilogramme). Avec un poids similaire, une batterie lithium-air offrirait ainsi 20 fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion classique. Jusqu’à présent, seules des batteries avec une capacité de 2 kWh/kg ont été réalisées, mais la capacité continue d’augmenter grâce à divers projets de recherche.
Cependant, un problème qui n’a pas encore été entièrement résolu est la durée de vie des batteries lithium-air. Des essais antérieurs ont montré que la performance d’une batterie lithium-air diminue considérablement après seulement quelques cycles de charge. Cela s’explique par plusieurs raisons :
- À un taux de décharge élevé, il y a trop peu d’oxygène disponible pour se lier aux ions lithium, entraînant la formation d’oxyde de lithium irréversible (Li2O) qui se fixe à la cathode en carbone, obstrue les nanopores et empêche les réactions futures.
- L’anode en lithium est sensible à l’humidité. En raison de la vapeur d’eau présente dans l’air ambiant ou d’électrolytes à forte solubilité dans l’eau, une corrosion accélérée se produit à l’anode en lithium.
- En 2016, il a été démontré pour la première fois qu’une réaction indésirable pendant la charge produit de l’oxygène singulet hautement réactif, ce qui accélère considérablement la corrosion de la cathode.
Différents groupes de recherche travaillent actuellement sur l’élimination de ces causes. Une approche consiste à concevoir l’accumulateur lithium-air comme un système fermé pour un apport contrôlé en oxygène. La masse d’oxygène contenue dans le système augmente toutefois le poids de l’accumulateur, faisant ainsi chuter la densité d’énergie théoriquement possible à 5 kWh/kg. Des essais sont également en cours pour éviter la formation d’oxygène singulet grâce à des formulations d’électrolyte modifiées ou des revêtements spéciaux sur les électrodes.
Comparaison entre batterie lithium-air et batterie lithium-ion classique
Même s’il n’est pas possible d’établir une comparaison détaillée en raison des recherches en cours, une comparaison entre la batterie lithium-ion et la batterie lithium-air peut être établie au moins sur la base des principaux paramètres de performance :
| Batterie lithium-air | Batterie lithium-ion | |
|---|---|---|
| Avantages | – Haute densité énergétique – Haute performance | – Jusqu’à 4000 cycles de charge possibles – Temps de charge rapides – Pas d’effet mémoire |
| Inconvénients | – Durée de vie réduite* – Un nombre limité de cycles de charge possible* – Temps de charge relativement longs* (*selon l’état actuel du développement) | – Exigences élevées en matière de stockage et de transport en raison du risque d’incendie et d’explosion – Recyclage coûteux et incomplet |
Les domaines d’application possibles des batteries lithium-air
En raison de leur densité d’énergie élevée, les batteries lithium-air sont particulièrement intéressantes pour l’industrie automobile et la logistique : elles ont le potentiel d’augmenter considérablement l’autonomie et la puissance des véhicules électriques, permettant de parcourir de 640 à 800 kilomètres avec une seule charge de batterie. Cela concerne non seulement les voitures électriques, mais aussi les engins de manutention tel que les gerbeurs électriques ou les transpalettes électriques, pour lesquels les temps d’arrêt pour les cycles de charge seraient considérablement réduits.
Un autre domaine d’application serait l’utilisation en tant que stockage d’énergie pour l’alimentation de secours, car même avec des dimensions réduites, une capacité de stockage élevée peut être atteinte.
Néanmoins, cela suppose qu’une solution soit trouvée pour la durée de vie actuellement courte et les longs temps de charge des batteries. Des financements tant du secteur public que du secteur privé sont axés sur cet objectif, mais le chemin à parcourir est encore long. Des estimations prudentes indiquent que la batterie lithium-air atteindra le stade de la commercialisation au plus tôt dans les années 2030.
FAQ sur la batterie lithium-air
Comme tous les éléments galvaniques, les cellules d’un accumulateur lithium-air ont chacune besoin de deux électrodes et d’un électrolyte qui conduit les ions (atomes chargés électriquement) et transporte ainsi l’énergie.
– L’électrode négative (anode) est constituée de lithium métallique, qui se caractérise par un potentiel électrochimique particulièrement élevé.
– L’électrode positive (cathode) est composée de carbone dans nanogrille afin de créer la plus grande surface de réaction possible. L’oxygène nécessaire à l’oxydation est prélevé dans l’air ambiant.
– Actuellement, la recherche porte principalement sur savoir quels sont les électrolytes les mieux adaptés à l’accumulateur lithium-air. Outre les substances dissoutes, des corps solides à base de gaz ou de polymères entrent également en ligne de compte (accumulateurs à l’état solide).
En théorie, la densité énergétique d’une batterie lithium-air peut atteindre 11 kWh/kg (kilowattheures par kilogramme). À poids égal, une batterie lithium-air aurait donc 20 fois plus d’énergie qu’une puissante batterie lithium-ion. Jusqu’à présent, seules des batteries de 2 kWh/kg ont pu être réalisées, mais la capacité est constamment augmentée dans le cadre de différents projets de recherche.
En raison de sa haute densité énergétique, la batterie lithium-air est particulièrement intéressante pour l’industrie automobile et la logistique. Il a le potentiel d’augmenter considérablement l’autonomie et les performances des véhicules électriques et de faire ainsi progresser l’électromobilité.
Un autre domaine d’application serait l’utilisation comme accumulateur d’électricité pour l’alimentation de secours, car même de petites dimensions permettent d’atteindre une grande capacité de stockage.
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