Batteries lithium-air étanches

Une entreprise basée à Berkeley, en Californie, développe des batteries légères à haute énergie qui peuvent utiliser l'air ambiant comme cathode. PolyPlus est en partenariat avec une entreprise de fabrication pour développer des batteries lithium métal-air à usage unique pour le gouvernement, et il s'attend à ce que ces batteries soient sur le marché d'ici quelques années. La société dispose également de batteries rechargeables lithium métal-air aux premiers stades de développement qui pourraient éventuellement alimenter des véhicules électriques qui peuvent durer plus longtemps entre les charges.

Le pouvoir de l'eau : Un prototype de batterie fabriqué par PolyPlus utilise du lithium métal comme anode et de l'eau salée comme cathode pour alimenter une LED. Au fur et à mesure que la batterie se décharge, les ions lithium se diffusent dans l'eau, mais l'appareil ne nuit pas aux poissons-clowns environnants.

L'intérêt pour les batteries lithium métal-air s'est accru ces dernières années, parallèlement à la demande de sources d'alimentation plus légères pour des appareils allant des véhicules hybrides rechargeables aux ordinateurs portables. Dans les batteries lithium-ion, les électrodes sont constituées de matériaux tels que le graphite, tandis que dans une batterie lithium-métal, l'anode est entièrement constituée de lithium métal et l'air ambiant peut servir de cathode.

Les batteries lithium-métal approchent la densité énergétique des piles à combustible sans la plomberie nécessaire à ces appareils ; en théorie, la densité énergétique maximale est de plus de 5 000 wattheures par kilogramme, soit plus de 10 fois celle des batteries lithium-ion actuelles. Les batteries lithium métal-air sont également très légères car il n'est pas nécessaire de transporter un deuxième réactif. Le lithium métal est le matériau de la batterie du Saint-Graal, explique Steven Visco, directeur technique et fondateur de PolyPlus.

IBM a récemment annoncé qu'elle développerait des batteries lithium métal-air pour le réseau énergétique et pour les transports. Le lithium-ion est l'étalon-or, mais ce qui peut le battre, c'est le lithium métal, dit Plage Paul , président du fabricant de batteries Quallion de Sylmar, en Californie.

Cependant, l'utilisation du lithium métal comme électrode de batterie s'est avérée problématique, principalement parce que le matériau réagit rapidement et violemment avec l'eau. Les gens pensent aux batteries lithium-air depuis des décennies, mais il y a toujours de l'eau dans l'air, dit Visco. L'exposition même à des traces d'eau dégrade rapidement le matériau.

PolyPlus a résolu ce problème en développant ce que l'entreprise appelle une électrode au lithium protégée. L'appareil se compose d'une pièce plate et rectangulaire de lithium métal recouverte de chaque côté d'un électrolyte céramique appelé lisicon. L'électrolyte solide est imperméable à l'eau mais laisse passer les ions lithium. Un autre revêtement protège l'électrolyte de la réaction avec le lithium métallique. Et enfin, les bords de l'appareil sont scellés avec un stratifié aluminium-polymère semblable à un sac de croustilles. Le stratifié offre un joint étanche et il est flexible, de sorte qu'il ne crée aucune contrainte lorsque l'électrode rétrécit à l'usage.

Lorsque l'électrode lithium-métal est placée dans l'eau, des ions lithium s'échappent et réagissent avec l'oxygène dissous dans l'eau ou avec l'eau elle-même. Pour fabriquer une pile lithium métal-air, l'appareil est équipé d'une électrode à diffusion de gaz similaire à celles utilisées pour les piles auditives zinc métal-air. Lorsque la batterie est allumée, l'électrode aspire de l'oxygène à travers la membrane pour réagir avec les ions lithium. Mais contrairement aux piles pour appareils auditifs, ces appareils ne s'autodéchargent pas avec le temps. Vous pouvez laisser la batterie sur l'étagère pendant des mois et vous attendre à ce qu'elle fonctionne car la membrane la protège, explique Visco. Et parce qu'elles sont basées sur du lithium métal à haute énergie, ces batteries durent beaucoup plus longtemps et sont plus légères que les batteries zinc-air.

PolyPlus teste actuellement des batteries lithium métal-eau de mer en collaboration avec le Institut de recherche sur l'aquarium de la baie de Monterey pour déterminer s'ils peuvent supporter des conditions de travail réelles. Une préoccupation est que les micro-organismes dans l'océan se développent à la surface des batteries et nuisent à leur fonctionnement, bien que les tests préliminaires aient donné de bons résultats.

Les batteries à usage unique fabriquées par l'entreprise utilisent un morceau de lithium métallique d'environ deux centimètres carrés et de trois millimètres d'épaisseur ; elles ont une capacité de stockage proche de celle des batteries lithium-ion des ordinateurs portables d'aujourd'hui à un cinquième du poids. La société s'est associée au fabricant de batteries Quallion pour produire des batteries basées sur les conceptions d'électrodes de PolyPlus et fabriquera des batteries sous contrat pour une agence gouvernementale non divulguée. Quallion dit que les électrodes lithium-métal peuvent être traitées en utilisant une grande partie de l'infrastructure déjà en place pour fabriquer des batteries lithium-ion. Certaines précautions sont nécessaires pour manipuler le matériau, mais il n'y a pas d'astuces, dit Beach.

Les batteries lithium-métal ont le potentiel de transformer les applications sous-marines, selon James Bellingham , le technologue en chef du Monterey Bay Aquarium Research Institute. La plupart des recherches océaniques se déroulent près du rivage car, comme le dit Bellingham, dans l'océan, il n'y a pas de prise pour recharger les embarcations autonomes chargées de capteurs qui surveillent les mers. Des batteries à plus haute densité énergétique pourraient permettre une bien meilleure surveillance des effets du changement climatique sur la planète, explique Bellingham.

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