Parier sur une percée dans la batterie métal-air

Une entreprise dérivée de l'Arizona State University affirme qu'elle peut développer une batterie métal-air qui surpasse considérablement les meilleures batteries lithium-ion du marché, et qu'elle dispose désormais du financement nécessaire pour le prouver.

Sel liquide : Cette image montre des liquides ioniques (les globules bleus) dans un bécher d'huile minérale.

Le département américain de l'Énergie a accordé la semaine dernière une subvention de recherche de 5,13 millions de dollars à Scottsdale, en Arizona Énergie Fluidique vers le développement d'une batterie métal-air qui repose sur des liquides ioniques, au lieu d'une solution aqueuse, comme électrolyte.

La société vise à construire une batterie métal-air ionique liquide qui a jusqu'à 11 fois la densité énergétique des meilleures technologies lithium-ion pour moins d'un tiers du coût. Cody Friesen , professeur de science des matériaux à l'Arizona State et fondateur de Fluidic Energy, affirme que l'utilisation de liquides ioniques surmonte bon nombre des problèmes qui ont freiné les batteries métal-air dans le passé. Je ne prétends pas que nous l'avons encore, mais si nous réussissons, cela change vraiment notre façon de penser au stockage, déclare Friesen, qui a été nommé l'un des Examen de la technologie les plus grands innovateurs de moins de 35 ans en 2009.

Les batteries métal-air, telles que celles qui utilisent une anode de zinc, reposent généralement sur des électrolytes à base d'eau. L'oxygène de l'air ambiant est aspiré à travers une électrode à air poreuse (cathode) et produit des ions hydroxyle au contact de l'électrolyte. Ces ions atteignent l'anode et commencent à oxyder le zinc, une réaction qui produit du courant par la libération d'électrons.

Mais comme toute solution aqueuse, l'eau de l'électrolyte peut s'évaporer, provoquant une défaillance prématurée des batteries. L'eau a également une fenêtre électrochimique relativement faible, ce qui signifie qu'elle commencera à se décomposer lorsque la cellule dépassera 1,23 volts. Ce sont deux problèmes que les chercheurs de l'US Air Force Academy ont commencé à résoudre il y a environ 25 ans. Au début des années 1980, ils ont expérimenté des liquides ioniques – des sels qui sont un liquide à température ambiante et qui peuvent souvent rester un liquide à des températures inférieures à zéro ou au-dessus du point d'ébullition de l'eau.

Ce sont des fluides merveilleux. Ils sont remarquables, dit John Wilkes , un expert en liquides ioniques qui dirige le département de chimie de l'académie. Si vous regardez ces liquides dans une bouteille, ils ressemblent à de l'eau, sauf qu'ils sont visqueux. Ils ne sont pas volatils, ils ne s'évaporent pas, ils sont physiquement stables et ils conduisent assez bien l'électricité.

Friesen, dont l'équipe de recherche de l'État de l'Arizona a passé ces dernières années à expérimenter divers liquides ioniques, explique qu'une batterie métal-air utilisant un liquide ionique comme électrolyte fonctionne non seulement beaucoup plus longtemps, car le dessèchement n'est plus un problème, mais aussi obtient une grande augmentation de la densité énergétique. Ces liquides ont des fenêtres de stabilité électrochimique allant jusqu'à cinq volts, ce qui vous permet d'utiliser des métaux beaucoup plus denses en énergie que le zinc. Il dit que son équipe de recherche ciblera des densités d'énergie d'au moins 900 wattheures par kilogramme et jusqu'à 1 600 wattheures par kilogramme dans le projet financé par le DOE.

Le problème avec les liquides ioniques est qu'ils sont toujours fabriqués en petites quantités, ce qui les rend coûteux par rapport à de nombreux autres solvants utilisés pour dissoudre les sels. Mais certaines personnes fabriquent maintenant des liquides ioniques à partir de produits déjà connus et produits en grande quantité, comme des détergents, explique Wilkes.

Robin Rogers , professeur de chimie à l'Université de l'Alabama, affirme que le défi consiste à trouver des liquides ioniques de base avec le bon ensemble de propriétés qui peuvent complètement changer l'équation économique des batteries métal-air. Ce n'est pas impossible, dit-il. Je regarde les liquides ioniques et je dis, prenez du recul, car vous devez le faire d'une manière complètement différente.

Friesen minimise la préoccupation des coûts, soulignant que les liquides deviennent assez économiques lorsqu'ils sont développés en interne en grands volumes. Il veille cependant à ne pas trop en dire sur les liquides ioniques que son équipe a développés, révélant seulement qu'il existe plusieurs prétendants qui semblent bien fonctionner.

Friesen est également prudent lorsqu'il parle de l'autre élément clé de la recherche de Fluidic Energy : une structure d'électrode métallique qui surmonte le problème de la formation de dendrites. Ces structures en forme de branche peuvent se développer sur, par exemple, une électrode de zinc et provoquer un court-circuit d'une batterie métal-air. La formation de dendrite se produit dans les batteries rechargeables lorsque les réactions chimiques sont inversées, limitant le nombre de cycles de charge. Fluidic Energy a développé un échafaudage d'électrodes avec une porosité multimodale, ce qui signifie qu'il a une gamme de tailles de pores aussi petites que 10 nanomètres. L'échafaudage entoure le métal, dans ce cas le zinc, et peut empêcher les dendrites qui se forment pendant la charge.

Avec la capacité d'éliminer l'évaporation, d'augmenter la tension et d'éliminer les dendrites, nous travaillons maintenant à passer au niveau supérieur, dit Friesen. Il s'agit de prendre tout ce que nous avons fait au cours des quatre dernières années et de tirer parti de ce travail dans une batterie qui ressemble et se sent comme une batterie au lithium, mais a des densités d'énergie bien au-delà de cela.

Cela signifierait que le stockage d'énergie ne serait plus un facteur limitant pour les énergies renouvelables et que les véhicules électriques pourraient parcourir 400 à 500 miles avec une seule charge, dit-il, à un coût légèrement supérieur aux batteries au plomb.

cacher