L'application des batteries revêt une importance capitale. Les batteries de puissance sont au cœur de l'électrification dans le domaine des transports et peuvent indirectement favoriser une réduction significative des émissions de dioxyde de carbone ; l'application des batteries dans le domaine du stockage de l'énergie peut assurer la stabilité et la fiabilité de l'alimentation en énergie renouvelable.
Mais comment rendre les batteries bon marché, à haute densité énergétique et avec une durée de vie plus longue ? Les scientifiques explorent constamment, et diverses voies techniques montrent également leur magie. Les batteries lithium-ion sont actuellement la norme.
Il existe désormais une nouvelle technologie qui non seulement possède une densité énergétique de batterie plus de 7 fois supérieure à celle des batteries lithium-ion traditionnelles, mais peut également fixer le dioxyde de carbone en carbonate et en carbone tout en produisant de l'énergie électrique. Il s'agit des batteries lithium-dioxyde de carbone (batteries Li-CO2).
Les batteries lithium-dioxyde de carbone présentent les doubles avantages du stockage de l'énergie et de la séquestration du carbone, ce qui peut être décrit comme « faire d'une pierre deux coups ».
Ce nouveau système de stockage d'énergie électrochimique aux vastes perspectives d'application a suscité l'intérêt de recherche des chercheurs scientifiques depuis sa création.
Cependant, le développement et l'application de toute nouvelle technologie doivent être mis en œuvre étape par étape. Les chercheurs ont déclaré que le développement des batteries lithium-dioxyde de carbone en est encore à ses débuts. Par exemple, la méthode de production du catalyseur le plus important est encore relativement lente et inefficace. Il est nécessaire de trouver des électrocatalyseurs efficaces et de comprendre en profondeur leurs mécanismes de réaction.
Par conséquent, l'Université de Surrey, l'Imperial College London et l'Université de Pékin ont récemment développé une nouvelle plateforme de test électrochimique qui peut aider à accélérer l'évaluation et le développement des catalyseurs pour batteries lithium-dioxyde de carbone. Comparée aux méthodes traditionnelles, cette nouvelle méthode est extrêmement rentable, efficace et contrôlable, et devrait permettre de surmonter les problèmes rencontrés par le développement et l'application des batteries lithium-dioxyde de carbone.
Le passé et le présent des batteries lithium-dioxyde de carbone
Les batteries lithium-ion secondaires (rechargeables) au sens moderne sont nées en 1983, ce qui a également permis au Dr Akira Yoshino, une figure clé de la promotion du développement des batteries lithium-ion à cette époque, de remporter le prix Nobel de chimie.
Plus tard, afin de répondre aux exigences d'utilisation de plus d'équipements et de contraintes, les chercheurs ont continué à investir dans la recherche sur les batteries lithium-oxygène (Li-O2) (c'est-à-dire les batteries lithium-air). Les batteries lithium-dioxyde de carbone d'aujourd'hui sont également développées sur cette base.
Les batteries lithium-dioxyde de carbone fonctionnent selon le principe suivant : lorsque la batterie est chargée, les ions lithium se déplacent de l'électrode positive de la batterie vers l'électrode négative à travers l'électrolyte. Le carbone utilisé comme électrode négative a une structure en couches avec de nombreux micropores. Les ions lithium qui atteignent l'électrode négative sont intégrés dans les micropores de la couche de carbone. Par conséquent, plus il y a d'ions lithium intégrés, plus la capacité de charge est élevée.
De la même manière, lors de l'utilisation (décharge) de la batterie, les ions lithium intégrés dans la couche de carbone de l'électrode négative s'échappent et retournent à l'électrode positive. Plus il y a d'ions lithium qui retournent à l'électrode positive, plus la capacité de décharge est élevée.
En tant que batterie rechargeable avec un grand potentiel de développement, les batteries lithium-dioxyde de carbone ont une densité énergétique extrêmement élevée, et les batteries avec une densité énergétique plus élevée peuvent stocker plus d'électricité par unité de volume.
Il est entendu que la densité énergétique actuelle des batteries lithium-fer-phosphate grand public est inférieure à 200 Wh/kg, et la densité énergétique des batteries lithium ternaires se situe entre 200 et 300 Wh/kg. Sun Shigang, académicien de l'Académie chinoise des sciences, a déclaré que la densité énergétique actuelle des batteries lithium-ion est proche du plafond. La densité énergétique théorique des batteries lithium-dioxyde de carbone est aussi élevée que 1876 Wh/kg, ce qui est plus de 7 fois supérieure à celle des batteries lithium-ion ordinaires.
Non seulement cela, mais la réaction électrochimique réversible dans les batteries Li-CO2 : 4Li + 3CO2 =2Li2CO3 + C (E0 = 2,80 V vs Li/Li+) est également une nouvelle façon de fixer le CO2. Les méthodes traditionnelles de fixation du CO2 nécessitent un apport d'énergie continu. Si cet apport d'énergie est basé sur la capacité de production de combustibles fossiles, davantage de CO2 sera émis. En comparaison, les batteries lithium-dioxyde de carbone séquestrent le carbone d'une manière beaucoup plus propre.
On peut dire que les batteries lithium-dioxyde de carbone sont à la fois une technologie de batterie clé et une technologie importante de séquestration du carbone qui peuvent apporter une double contribution à la lutte contre le changement climatique.
Mais elle en est encore aux premiers stades de développement. De nombreux facteurs affectent les performances des batteries lithium-dioxyde de carbone.
Au cours du processus de réaction de la batterie, le carbonate de lithium (Li2CO3), en tant que principal produit de décharge, est un isolant à large bande interdite, ce qui entraînera un ralentissement de sa cinétique de décomposition pendant la charge ; pendant le cycle, le Li2CO3 subit une décomposition incomplète et une transformation irréversible. La formation et l'accumulation de matériaux carbonatés solides à la surface de la cathode entraîneront également une diminution significative des performances électrochimiques jusqu'à la « mort subite » de la batterie Li-CO2.
Pour résoudre ce problème, le développement de catalyseurs bidirectionnels pour accélérer la cinétique de la réaction de conversion pendant la décharge et la charge est la clé pour améliorer l'efficacité énergétique et la durée de vie des cycles des batteries Li-CO2.
Quelle est l'utilité d'une plateforme de test électrochimique multifonctionnelle ?
Pour relever les défis correspondants, des chercheurs de l'Université de Surrey, de l'Imperial College London et de l'Université de Pékin ont conçu une plateforme de test électrochimique sur puce multifonctionnelle capable d'effectuer plusieurs tâches simultanément. Cette plateforme facilite le criblage des électrocatalyseurs, l'optimisation des conditions de fonctionnement et l'étude de la conversion du CO2 dans les batteries Li-CO2 haute performance.
Les chercheurs ont déclaré que les méthodes traditionnelles d'exploration des catalyseurs pour batteries Li-CO2 reposent principalement sur des méthodes d'essais et d'erreurs et des techniques de caractérisation/test en mode unique, qui prennent du temps et sont inefficaces.
Par conséquent, il est nécessaire d'établir une plateforme de test multifonctionnelle simplifiée pour cribler rapidement les catalyseurs et effectuer des tests de caractérisation multi-modes en peu de temps et à une résolution spatiale nanométrique, afin de mieux comprendre la technologie émergente des batteries Li-CO2 et d'accélérer son développement.
La « plateforme LCB sur puce » développée et conçue par les chercheurs possède les fonctions de test électrochimique à trois électrodes, de criblage de catalyseurs et de détection in situ de la composition chimique et de l'évolution morphologique.
En utilisant cette plateforme, les chercheurs ont systématiquement évalué le potentiel d'une série de catalyseurs candidats pour favoriser les réactions de transformation et ont étudié leur réversibilité et leurs voies de réaction.
Les catalyseurs candidats comprennent le platine, l'or, l'argent, le cuivre, le fer et le nickel à l'état de nanoparticules à haute densité. Finalement, il a été constaté que lorsque des nanoparticules de platine sont utilisées comme catalyseurs, la batterie présente des performances de polarisation minimales évidentes (0,55 V), la réversibilité la plus élevée et une nouvelle voie de réaction, démontrant des performances supérieures. Ce résultat expérimental révèle également le potentiel de développement des batteries lithium-dioxyde de carbone.
Les chercheurs affirment que la plateforme de batterie lithium-dioxyde de carbone (LCB) pourrait également jouer un rôle important dans l'exploration ultérieure, notamment :
(1) Cribler les électrolytes avec des solvants stables pour les réactions des batteries lithium-dioxyde de carbone en intégrant des systèmes microfluidiques ou en modélisant différents électrolytes quasi-solides sur la plateforme ;
(2) Explorer différentes stratégies de protection des anodes au lithium ou cribler d'autres anodes pré-lithiatées pour les batteries lithium-dioxyde de carbone.
« Le développement de nouvelles technologies pour les émissions négatives est crucial. Notre plateforme sur puce jouera un rôle clé dans la réalisation de cet objectif. Elle peut également être appliquée à d'autres systèmes tels que les batteries métal-air, les piles à combustible et les cellules photoélectrochimiques. » a déclaré Yulong Zhao, maître de conférences à l'université Imperial London.
Dans l'ensemble, la conception de la plateforme LCB devrait permettre de surmonter les problèmes rencontrés par le développement des batteries lithium-dioxyde de carbone, notamment le criblage rapide des catalyseurs, la recherche sur les mécanismes de réaction et les applications pratiques de la nanoscience à la technologie de pointe d'élimination du carbone.