Les batteries lithium-air sont considérées comme des technologies très prometteuses, pour les voitures électriques et les appareils électroniques portables, en raison de leur rendement énergétique élevé. Elles présentent toutefois des inconvénients assez importants, entre les déperditions d’énergie injectée sous forme de chaleur, les dégradations plus ou moins rapides et le coût des composants. Des difficultés qui empêchent pour l’instant leur développement commercial, mais pour lesquelles les chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology) pourraient bien avoir trouvé une solution via l’adoption d’un composant solide mêlant lithium et oxygène baptisé “nanolithia”.

Lithium-air : des batteries toujours instables

Les batteries lithium-air utilisent l’oxygène de l’air comme matière première. Lorsqu’elles se déchargent, les ions lithium transitent de l’anode vers la cathode et réagissent alors avec l’oxygène de l’air, qui est dissout dans l’électrolyte. Dans le même temps, les électrons se déplacent, formant un courant électrique.

Ce dispositif implique néanmoins que la batterie ne soit pas fermée, mais ouverte, avec une prise d’air pour permettre de renouveler l’oxygène qui doit constamment être transféré de et vers la cellule. L’oxygène doit en outre changer d’état et passer de l’état gazeux à l’état solide, pour s’associer avec le lithium et stocker l’énergie, puis à nouveau repasser à l’état gazeux pour libérer sa charge. Ce processus soumet l’enveloppe de la batterie à de fortes contraintes physiques et à des risques de corrosion et de détérioration rapide.

L’inadéquation des tensions (la tension de sortie est généralement inférieure de 1,2 volt à celle utilisée pour la charge) dénote également une perte significative de puissance dans chaque cycle de charge. “Vous perdez 30 % de l’énergie électrique en chaleur dans la charge et la batterie peut effectivement brûler si vous chargez trop vite”, explique le professeur Ju Li, en charge du projet au MIT.

Une batterie fermée plus efficace

Dans la nouvelle variante étudiée au MIT, les mêmes genres de réactions électrochimiques ont lieu entre le lithium et l’oxygène pendant le chargement et le déchargement, mais elles se déroulent sans jamais laisser l’oxygène revenir à sa forme gazeuse. L’oxygène reste à l’intérieur du solide et s’associe avec le lithium sous la forme d’un matériau similaire au verre baptisé “nanolithia” et confiné étroitement dans une matrice d’oxyde de cobalt. L’oxyde de cobalt, matériau très spongieux composé de pores de quelques nanomètres de diamètre, permet ici de stabiliser les particules de nanolithia d’ordinaire très instables. La matrice maintient les particules et agit comme catalyseur de leur transformation.

En stockant l’oxygène sous forme solide, ce procédé permet notamment d’éviter de filtrer l’humidité de l’oxygène dans un système ouvert. Comme l’explique le professeur Ju Li, les batteries lithium-air classiques sont “des batteries d’oxygène lithium-sec, elles ne peuvent pas vraiment gérer l’humidité ou le dioxyde de carbone alors qu’il est impératif de les séparer de l’air entrant dans les batteries. Vous avez besoin de grands systèmes auxiliaires pour éliminer le dioxyde de carbone et l’eau, et il est très difficile de le faire. Mais notre nouvelle batterie, qui n’a jamais besoin d’aspirer l’air extérieur, contourne ce problème”.

Ce dispositif permet enfin de limiter considérablement la perte de tension. La chute de tension est divisée par cinq (de 1,2 volt à 0,24 volt) réduisant les pertes d’énergie sous forme de chaleur à seulement 8 % contre 30 % auparavant. Selon ces scientifiques, ce prototype de batterie ne perdrait en plus que 2 % de sa capacité après 120 cycles de charge-décharge, et promet ainsi des durées de vie bien supérieures à celles proposées par les batteries lithium-air actuelles.

Crédits photo : MIT