Types de batteries lithium-air - avantages et inconvénients

En 1996, Abraham et al. ont assemblé avec succès la première batterie lithium-air non aqueuse en laboratoire. En 2002, Read et al. ont découvert que la performance électrochimique de la batterie lithium-air dépendait du solvant de l'électrolyte et du matériau de la cathode d'air ;

En 2006, Ogasawara et al. ont utilisé un spectromètre de masse pour prouver pour la première fois que Li2O2 était oxydé et libérait de l'oxygène pendant la charge, ce qui a confirmé la réversibilité électrochimique de Li2O2. La batterie lithium-air a donc fait l'objet d'une grande attention et d'un développement rapide.

Composition de la batterie lithium-air et mécanisme de fonctionnement

Les batteries métal-air, dont la principale substance active, l'oxygène, provient de l'atmosphère, ne nécessitent pas de conteneurs spéciaux pour le stockage, ce qui réduit la masse totale de la batterie et lui permet de disposer de suffisamment d'espace pour fournir davantage d'énergie. En théorie, la capacité de la batterie dépend uniquement de la capacité du matériau métallique de l'anode.

Cependant, parmi la plupart des anodes métalliques, le lithium métal a la masse la plus légère (Mw = 6,94 g mol-1, ρ = 0,535 g cm-3) et une électronégativité de -3,045 V (par rapport au potentiel SHE d'une électrode d'hydrogène standard), la capacité spécifique théorique du lithium métal est de 3860mAh/g,

Sur la base de ce calcul, la densité énergétique spécifique théorique de la batterie lithium-air est de 5 200 Wh/kg (en tenant compte de la masse d'oxygène de la matière active) ou de 11 400 Wh/kg (calculée en excluant la masse d'oxygène de la matière active), sa densité énergétique spécifique est proche de celle de l'essence traditionnelle (environ 13 200 Wh/kg), et environ 5 à 10 fois celle des batteries secondaires lithium-ion traditionnelles. Tout cela n'est que de la théorie.

Les principaux types de batteries lithium-air

La batterie lithium-air, la cathode est une feuille de lithium en métal pur, qui contient une grande quantité de catalyseur, une électrode positive d'air et un électrolyte. Le type d'électrolyte est différent, et son processus de fonctionnement est également légèrement différent.

En fonction du système d'électrolyte, la batterie lithium-air est principalement divisée en liquide électrolytique organique (système d'électrolyte non aqueux), système d'électrolyte aqueux, système d'électrolyte mixte et système d'électrolyte entièrement solide.

Globalement, les batteries lithium-air peuvent être divisées en six catégories : les systèmes organiques, les systèmes aqueux à liquide ionique, les systèmes à double électrolyte organique-aqueux, les systèmes à l'état solide et les batteries lithium-air à supercondensateur.

Batterie lithium-air aqueuse

La batterie lithium-air à électrolyte aqueux, l'électrolyte est une variété de solutions aqueuses avec différentes valeurs de pH, dans différents électrolytes acides et alcalins, les réactions chimiques de la batterie sont également différentes. Étant donné que le lithium métallique peut subir de violentes réactions d'oxydoréduction avec l'eau, il est nécessaire de recouvrir la surface du lithium métallique d'une couche de film de conduction d'ions lithium stable à l'eau, c'est-à-dire le film de conduction d'ions super lithium de type NASICON (LTAP) Li3M2(PO)4. Cependant, il n'est pas stable au contact du lithium, et le produit de la réaction augmentera l'impédance interfaciale entre les deux.

Le concept de batterie lithium-air aqueuse a été avancé plus tôt, il ne présente pas le problème des produits de réaction de l'électrode à air qui obstruent l'électrode à air dans le système organique, cependant, la protection de l'anode de lithium n'a pas été bien résolue, y compris la stabilité du LTAP dans une solution aqueuse, qui est toujours la direction de recherche de ce système. Le lithium métal est fortement corrodé dans les électrolytes aqueux, et le taux d'autodécharge est particulièrement élevé, ce qui rend le cycle de la batterie et l'efficacité coulombienne très faibles.

Batterie lithium-air organique

Le système utilise du lithium métal comme anode, de l'oxygène comme cathode, un polymère à base de polyacrylonitrile (PAN) comme électrolyte (solvant PC, EC), la tension en circuit ouvert (OCV) est d'environ 3V, et l'énergie spécifique (non incluse dans le boîtier de la batterie) est de 250-350Wh/kg.

Le solvant organique étant utilisé comme électrolyte, le problème de corrosion du lithium métallique est résolu et la batterie présente de bonnes performances de charge et de décharge. L'électrode à air est composée de carbone, d'un liant, d'un catalyseur sans carbone et d'un solvant, qui sont mélangés de manière homogène et enduits sur la maille métallique.

L'électrode à air préparée doit avoir une bonne conductivité électronique (>1S/cm), une bonne conductivité ionique (>10~2 S/cm) et un bon coefficient de diffusion de l'oxygène. Les facteurs les plus évidents affectant les performances de la batterie sont le matériau de l'électrode à air, le mécanisme de réduction de l'oxygène et les paramètres cinétiques correspondants.

Parmi les produits de réaction ci-dessus, seule la réaction du peroxyde de lithium Li2O2 est réversible. En d'autres termes, les chercheurs doivent faire de leur mieux pour augmenter la proportion de peroxyde de lithium dans la réaction et réduire la proportion d'oxyde de lithium afin de réaliser le cycle de charge et de décharge de la batterie lithium-air.

Les facteurs qui déterminent spécifiquement le type de produit ne font pas l'unanimité. Certains pensent que le niveau de polarisation de l'électrode à air affecte le taux de peroxyde, d'autres pensent que le catalyseur a une plus grande influence et d'autres encore pensent que le matériau de l'électrolyte joue un rôle majeur.

Batterie lithium-air à système aqueux-organique à deux liquides

L'électrolyte d'un côté de l'électrode cathodique est une solution aqueuse de KOH, et le milieu est séparé par un film de verre conducteur d'ions super lithium (film de verre conducteur super ionique de lithium, LISICON).

La nouveauté de cette nouvelle configuration de batterie lithium-air est qu'il n'est pas nécessaire de s'inquiéter du fait que le produit de la réaction de l'électrode à air obstrue les micropores de l'électrode dans le système organique, et que l'oxygène dans la phase aqueuse est réduit en LiOH soluble dans l'eau sur l'électrode à air. Le diaphragme, un composant clé de la technologie, résiste mal aux alcalis et sa résistance est liée à la densité du courant de décharge, ce qui constitue une difficulté insatisfaisante dans cet itinéraire technique.

Batterie au lithium-air à l'état solide

Toutes les batteries au lithium-air à l'état solide, l'électrolyte au milieu est composé de 3 parties, la couche centrale a la plus grande proportion de vitrocéramique avec une bonne résistance à l'eau, et il y a deux couches minces de différents matériaux polymères près de l'anode de lithium et de la cathode d'oxygène.

La batterie lithium-air entièrement solide n'a pas de problème de fuite de liquide et la sécurité a été améliorée. Cependant, le contact entre l'électrolyte solide et l'anode de lithium, l'électrode d'air et l'intérieur de l'électrolyte solide ne sera pas aussi étroit que celui de l'électrolyte liquide, ce qui peut entraîner une augmentation de la résistance interne de la batterie. Par rapport à la batterie lithium-air à système organique, la structure du système est également plus compliquée.

Le développement de la batterie lithium-air à l'état solide a permis de faire passer la température de fonctionnement d'une température élevée à une température moyenne et à une température ambiante, et la structure de la batterie d'une structure complexe à une structure simple. La réaction de la batterie va de la génération de produits de décharge à l'anode basée sur le transport d'ions d'oxygène au processus de production de produits de décharge à la cathode basé sur le transport d'ions de lithium.

Néanmoins, en raison de l'écart considérable entre les performances, la batterie lithium-air à l'état solide actuelle, basée sur le transport de l'ion lithium, doit faire de nouvelles percées dans la structure de la batterie, la régulation de l'interface, le mécanisme de charge et de décharge, etc.

Système de liquide ionique Batterie lithium-air

Qu'est-ce qu'un liquide ionique, une solution saline composée de cations et d'anions organiques. L'objectif est d'utiliser les cations de l'électrolyte pour transférer la charge entre l'anode de lithium et la cathode d'oxygène.

Les liquides ioniques ont été introduits dans les batteries lithium-air en raison de leur faible inflammabilité, de leur hydrophobie, de leur faible pression de vapeur, de leur large fenêtre électrochimique et de leur grande stabilité thermique. Toutefois, leur viscosité élevée et leur prix élevé limitent dans une certaine mesure l'application future des liquides ioniques.

Avantages et inconvénients de la batterie lithium-air

Avantage

1) Faible coût : la matière active de la cathode utilise l'oxygène de l'air, aucun coût de stockage ou d'achat n'est nécessaire, et l'électrode à air utilise des supports de carbone bon marché.

2) Densité énergétique élevée : par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles, les batteries lithium-air ont une densité énergétique de 5 200 Wh/kg, et leur densité énergétique peut atteindre 11 140 Wh/kg sans compter la masse d'oxygène, ce qui est un ordre de grandeur plus élevé que les systèmes de batteries existants.

3)Respectueuse de l'environnement, la batterie lithium-air ne contient pas de substances toxiques telles que le plomb, le cadmium et le mercure, et constitue un système de batterie respectueux de l'environnement.

Inconvénient

D'une manière générale, le produit de réaction de la batterie lithium-air contient une grande proportion de composants irréversibles, ce qui constitue un problème inévitable qui ne peut être évité par diverses voies techniques et qui doit être résolu de front. Les lacunes de chaque voie technique ont été essentiellement mentionnées dans la classification et les problèmes existants, et ne seront pas répétées ici.

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