Une avancée majeure dans le domaine des batteries lithium-CO₂ permet de capturer le carbone tout en alimentant les appareils.

Des ingénieurs de l'Université de Surrey ont mis au point une batterie lithium-CO2 qui élimine le dioxyde de carbone de l'air lors de son fonctionnement normal. Cette batterie améliorée a le potentiel de surpasser ses prédécesseurs tout en contribuant à la lutte contre la pollution et le changement climatique. Voici ce que vous devez savoir.

Pourquoi les batteries lithium-ion ne sont pas à la hauteur en matière d'énergie verte

L'avenir est au sans fil, et les fabricants comprennent la demande de batteries propres. Les batteries lithium-ion les plus courantes aujourd'hui équipent les appareils du quotidien, comme les téléphones portables, les véhicules électriques et les montres connectées. Les batteries lithium-ion offrent une densité et des cycles de charge corrects, et sont abordables. Cependant, elles ne sont pas durables et restent un polluant majeur dans les décharges du monde entier.

Principaux défis des batteries lithium-ion : sécurité, coût et déchets

Les batteries lithium-ion présentent plusieurs problèmes qui limitent leur efficacité et leur rendement. Tout d'abord, elles nécessitent l'utilisation de terres rares coûteuses. Des ressources comme le platine sont difficiles à trouver et augmentent considérablement le coût de fabrication. De plus, la demande en terres rares est devenue une préoccupation sécuritaire pour les pays qui cherchent désormais à s'assurer un approvisionnement suffisant en ces éléments essentiels.

Les batteries lithium-ion souffrent également d'une faible durée de vie. Leur conception entraîne une perte à chaque cycle de charge. De ce fait, leurs performances diminuent à chaque cycle. De plus, leur mise au rebut est très coûteuse et peut présenter un risque en cas de charge incorrecte ou d'emballement thermique.

L'emballement thermique se produit lorsque les cellules des batteries lithium-ion surchauffent, entraînant la surchauffe des cellules environnantes. Il en résulte une fusion massive pouvant déclencher des incendies, voire des explosions. Les dommages causés lors de ces événements sont bien documentés. Une simple recherche permet de découvrir une longue histoire d'incendies de batteries lithium-ion à travers le monde.

Surpotentiel

Une autre préoccupation des utilisateurs de batteries lithium-ion est la surtension. Ce terme désigne la quantité d'énergie nécessaire pour déclencher une réaction chimique et charger la batterie. Les systèmes lithium-ion souffrent d'une surtension élevée. Cependant, tout cela est sur le point de changer grâce à l'ingéniosité de scientifiques.

Que sont les batteries au lithium-CO₂ et comment fonctionnent-elles ?

Les batteries lithium-CO2 sont devenues une alternative prometteuse. Ces batteries rechargeables utilisent le CO2 comme vecteur énergétique. Cette structure offre des avantages majeurs, comme de meilleures performances, une plus grande capacité et une meilleure qualité de l'air. Par conséquent, nombreux sont ceux qui considèrent les batteries lithium-CO2 comme la meilleure solution pour atteindre la neutralité carbone à l'avenir.

Inconvénients des batteries lithium-CO2 actuelles

L'un des principaux inconvénients des batteries Li-CO2 actuelles est le manque de catalyseurs fiables et économiques. Conscients de ce problème, les ingénieurs ont créé une nouvelle version intégrant les avancées récentes en science des matériaux et en modélisation informatique. Cette nouvelle approche promet de s'attaquer simultanément à deux problèmes : la consommation d'énergie et la qualité de l'air.

Étude révolutionnaire sur les batteries lithium-CO₂ de l'Université de Surrey

L'étude¹, "Surtension ultra-faible dans les batteries Li-CO2 rechargeables grâce au phosphomolybdate de césium comme catalyseur redox efficace, publié dans Advanced Science, se penche sur «Respiration« batteries. Ces appareils utilisent le CO2 pour interagir avec un catalyseur spécialement conçu, créant ainsi une boucle d'énergie propre.

Batteries lithium-CO2 démantelées

Dans le cadre de leur processus, les ingénieurs ont créé plusieurs batteries Li-CO2 avec différents catalyseurs. Ils les ont ensuite soumises à des milliers de cycles de charge, représentant des années d'utilisation quotidienne. Ils ont ensuite démonté les unités après chaque cycle afin de mieux comprendre les phénomènes de dégradation, d'accumulation et autres facteurs limitant les performances. L'équipe a notamment constaté la formation de dépôts de carbonate de lithium, faciles à éliminer pour améliorer le cycle de charge de la batterie.

La source - École de chimie et de génie chimique de Surrey et Institut de technologie avancée

Modèle informatique des batteries lithium-CO2

Les chercheurs ont utilisé les données obtenues lors de leurs expériences pour créer un modèle informatique précis. Ce modèle utilise la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour prédire les détails et les changements critiques. Ce modèle a amélioré la capacité de l'équipe à mener des expériences de pensée et lui a permis de réduire les coûts totaux tout en élargissant ses tests. L'objectif était d'utiliser ce modèle pour trouver le matériau le plus adapté à la création d'une structure poreuse stable, capable de supporter les réactions chimiques à l'origine du fonctionnement des batteries au lithium.

Phosphomolybdate de césium (CPM)

Après quelques essais, les ingénieurs ont déterminé que le phosphomolybdate de césium (Cs3PMo12O40, CPM) était une option prometteuse. Ils ont appliqué le CPM comme catalyseur dans les batteries Li‒CO2, puis ont réalisé plusieurs tests. Pour créer le CPM, ils ont synthétisé les catalyseurs et enduit une cathode.

Ce matériau s'est avéré idéal car il possédait de nombreux sites électroactifs et présentait une surface enrichie en oxygène. De plus, sa morphologie mésoporeuse unique renforce sa durabilité et ses performances lors des cycles de charge, ce qui signifie que ces batteries consomment moins d'énergie pour se recharger que leurs prédécesseurs.

Ce pore CPM est idéal car il favorise une diffusion efficace des molécules de CO2 et des ions Li+ vers les sites actifs. De plus, les pores jouent un autre rôle : ils accueillent les produits de décharge. Il est à noter que les structures cristallines ne mesurent que 140 nm.

Diffraction des rayons X sur poudre (PXRD)

Les ingénieurs ont étudié la structure cristalline et la composition du catalyseur CPM synthétisé à l'aide d'une méthode de diffraction des rayons X sur poudre. Cet outil fonctionne en focalisant les rayons X sur la structure et en analysant son diagramme de diffraction.

Infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)

L'étape suivante consistait à déterminer l'énergie absorbée ou émise par les processus. Les ingénieurs ont utilisé la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier pour réaliser cette étape. L'équipe a constaté la présence de particules de Keggin pendant le processus, ce qui correspondait aux prédictions de leur modèle informatique.

Unités Keggin

L'équipe a consacré beaucoup d'efforts à déterminer si leur création intégrait des unités Keggin à sa surface. Les unités Keggin désignent une structure cristalline réputée pour sa robustesse et sa stabilité structurelle. C'est la configuration idéale pour les batteries, car elle conserve sa structure tout au long du cycle.

Spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS)

L'équipe a utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X pour mieux comprendre l'état chimique du catalyseur pendant et après le processus. Elle a déterminé avec précision la composition élémentaire de la surface et l'a ajustée afin d'optimiser les performances et la longévité de la batterie.

Thermogravimétrie (TG)

L'étape suivante consistait à déterminer si de l'humidité pénétrait dans le système ou était produite comme sous-produit. Les chercheurs ont utilisé la thermogravimétrie pour évaluer la teneur en eau du composite CPM. Le test a révélé que la nouvelle conception pouvait soutenir le développement de batteries haute densité.

Test des batteries lithium-CO2

Une série d'expériences en laboratoire a permis aux ingénieurs de vérifier leurs prédictions. L'équipe a réalisé des simulations physiques et informatiques pour évaluer la capacité électrocatalytique du catalyseur CPM à améliorer la cinétique CRR/CER. Ils ont déterminé que sa structure présentait des caractéristiques uniques qui la rendent idéale pour une utilisation comme catalyseur.

Résultats des tests des batteries lithium-CO2

Les résultats des tests ont été révélateurs. La nouvelle structure de batterie a fonctionné sans faille. L'équipe a effectué 100 cycles à 50 mA g−1 avec une capacité limitée à 500 mAh g−1. Ils ont constaté que le dispositif pouvait stocker plus d'énergie et était plus facile à charger que les options lithium-ion traditionnelles. Fait impressionnant, les batteries améliorées ont démontré une excellente capacité de décharge de 15440 1 mAh g−50 à 1 mA g−97.3 avec un rendement coulombien de 0.67 %. De plus, le catalyseur a fourni une faible surtension de XNUMX V.

Ces données ont démontré que la nouvelle conception était bien plus efficace que le catalyseur traditionnel. Plus précisément, elle offre une capacité de décharge-charge supérieure et une surtension plus faible. De plus, la batterie Li-CO2 offre une stabilité longue durée de 107 cycles à 50 mA g−1 avec une capacité limitée à 500 mAh g−1.

Principaux avantages des batteries lithium-CO₂ pour une énergie propre

Les batteries lithium-CO2 présentent de nombreux avantages pour le marché. Elles offrent notamment aux utilisateurs une alternative propre aux batteries lithium-ion, qui continuent d'encombrer les décharges. Cette nouvelle approche réduit simultanément les déchets et les émissions de gaz à effet de serre, ouvrant ainsi la voie à d'importantes améliorations du secteur des batteries tout en réduisant la pollution.

Capacité supérieure

Le rapport montre que les batteries lithium-CO2 offrent une capacité supérieure à celle de leurs prédécesseurs. De plus, leur surtension est bien plus faible, ce qui signifie qu'elles consomment beaucoup moins d'énergie pour se charger. Cette méthode de charge moins intense prolonge la durée de vie de la batterie sans réduire ses performances.

Les batteries lithium-CO2 sont plus abordables.

Une autre raison pour laquelle les fabricants et les consommateurs de batteries pourraient assister à un afflux soudain d'options lithium-CO2 est leur procédé de fabrication plus abordable. Si l'on combine coûts de fabrication réduits et émissions réduites, l'alternative lithium-CO2 apparaît comme une solution pratique pour stocker de l'énergie propre.

Les batteries lithium-CO2 sont plus évolutives

Les chercheurs ont veillé à ce que leurs travaux puissent être adaptés aux besoins de la communauté. La demande d'énergies propres pour alimenter les appareils portables est considérable. Les ingénieurs considèrent ce développement de batterie comme une amélioration économique qui présente l'avantage supplémentaire de piéger le CO₂, un gaz à effet de serre nocif.

Les batteries lithium-CO2 sont plus efficaces.

L'efficacité est un autre avantage des batteries lithium-CO2 par rapport aux autres solutions de batteries. Ces alimentations de nouvelle génération fonctionneront efficacement dans un large éventail de cas d'utilisation. Elles offrent une capacité énergétique supérieure et peuvent être modulées pour s'adapter parfaitement à l'application.

Pas de métaux des terres rares

Les terres rares sont une ressource limitée dont la valeur ne cesse de croître. D'importants droits de douane et autres législations sont déjà en place pour tenter de protéger l'accès des superpuissances mondiales à ces métaux. La décision des ingénieurs de supprimer la nécessité de ces minéraux dans la conception de leurs batteries pourrait être l'une des principales raisons du succès de cette technologie.

Applications concrètes des batteries lithium-CO₂ et quand les attendre

Les applications des batteries plus écologiques sont nombreuses. Le monde a besoin d'alternatives propres capables d'alimenter le nombre croissant de systèmes sans fil utilisés quotidiennement. Le lithium-CO2 pourrait un jour alimenter votre maison, votre voiture et vos appareils, tout en contribuant à réduire les émissions de gaz à effet de serre.

Voyage dans l'espace

Les voyages spatiaux constituent une autre application de cette technologie. Alors que les scientifiques continuent de réfléchir aux moyens de soutenir l'exploration de l'espace lointain et d'autres mondes, de nouvelles options énergétiques doivent être étudiées. Cette dernière avancée présente des avantages majeurs : elle pourrait fonctionner sur des planètes lointaines comme Mars, grâce à son atmosphère composée à 95 % de CO₂.

Chronologie des batteries lithium-CO2

Il faudra peut-être environ cinq ans avant que les batteries au CO5 soient disponibles sur le marché. La technologie existe, mais l'équipe doit encore trouver la meilleure approche pour commercialiser son invention. La demande croissante pour atteindre les objectifs de neutralité carbone pourrait notamment accélérer ce délai et faire de l'intégration des solutions lithium-CO2 une priorité.

Chercheurs sur les batteries lithium-CO2

L'étude sur les batteries lithium-CO2 a été menée par l'École de chimie et de génie chimique de Surrey et l'Institut de technologie avancée. Siddharth Gadkari et Daniel Commandeur sont co-auteurs de cette étude révolutionnaire. Ils ont bénéficié du soutien de Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M. Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai et Robert CT Slade.

L'avenir des batteries lithium-CO2

L'équipe cherche à approfondir l'étude d'autres matériaux et la manière dont ces catalyseurs interagissent avec les électrodes et les électrolytes. Elle souhaite également explorer plus avant le polyoxométalate de type Keggin comme catalyseur redox bifonctionnel. Ces avancées pourraient contribuer à améliorer des aspects majeurs de leur conception, notamment le cyclage réversible des batteries Li-CO2 rechargeables.

Investir dans le secteur des batteries

Plusieurs entreprises sont présentes sur le marché des batteries. Elles couvrent une gamme très large, allant des fabricants renommés de premier plan aux alternatives à bas prix, voire aux contrefaçons. La demande de batteries de qualité reste forte. Voici un fabricant de batteries qui reste bien positionné pour réussir et qui pourrait intégrer des batteries lithium-CO1 à ses produits à l'avenir.

Une puissance solide

Une puissance solide (SLDP -3.8%) Lancée sur le marché en 2011, Solid Power a son siège social dans le Colorado. Son objectif est de créer des alternatives aux batteries solides hautes performances. Depuis son lancement, Solid Power a bénéficié d'un soutien et d'une croissance considérables sur le marché. Cette croissance est principalement due à son esprit d'innovation et à ses produits uniques qui remplacent les électrolytes liquides par des solutions solides sulfurées. Cette approche a permis de réduire les risques d'incendie ou d'emballement thermique.

Solid Power a conclu plusieurs partenariats stratégiques avec des fabricants de véhicules électriques. Ces partenariats visent à stimuler l'innovation et à aider le marché à trouver une alternative plus sûre et plus efficace. Aujourd'hui, l'entreprise collabore avec divers fabricants issus de divers secteurs, notamment le secteur médical et l'industrie manufacturière.

Ceux qui cherchent à acquérir une action solide dans le secteur des batteries, dotée d'un potentiel de croissance, devraient approfondir leurs recherches sur SLDP. Les partenariats et les produits de l'entreprise suscitent l'enthousiasme de nombreux analystes. De plus, la demande pour ses services est en hausse, ce qui pourrait entraîner une hausse de la valeur de l'action dans les semaines à venir.

Actualités et développements récents concernant l'action Solid Power (SLDP)

Batteries lithium-CO2 : une énergie propre à emporter

Les batteries lithium-CO2 pourraient aider les ingénieurs à mettre fin aux risques d'incendie et aux dommages causés par l'emballement thermique des batteries lithium-ion. Ces unités sont omniprésentes, et leur remplacement par une alternative plus sûre et plus efficace pourrait bénéficier à une grande partie de la population. Par conséquent, fabricants et ingénieurs continuent d'investir temps, argent et efforts pour améliorer les batteries actuelles. Heureusement, ce dernier produit optimise leurs efforts parallèlement à la production d'énergie propre.

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Études référencées :

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D. et Gadkari, S. (2025). Surtension ultra-faible dans les batteries rechargeables Li–CO₂ rendue possible par le phosphomolybdate de césium comme catalyseur redox efficace. Science avancée, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}