Percée des batteries Lithium-CO₂ : capture du carbone tout en alimentant les appareils

University of Surrey engineers have introduced a Lithium-CO2 battery that removes carbon dioxide from the air as part of its normal operation. The upgraded battery design has the potential to outperform its predecessors while helping to combat pollution and climate change. Here’s what you need to know.

Pourquoi les batteries lithium-ion sont insuffisantes dans les énergies vertes

L’avenir est sans fil, et les fabricants comprennent qu’il existe une demande de solutions de batteries propres. Les batteries les plus courantes aujourd’hui sont les options lithium-ion. Ces batteries se trouvent dans les appareils du quotidien, tels que votre téléphone portable, votre véhicule électrique et votre montre connectée. Les batteries lithium-ion offrent une densité décente, des cycles de charge 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

Il existe plusieurs problèmes avec les batteries lithium-ion qui ont limité leur efficacité et leur performance. Tout d’abord, elles nécessitent l’utilisation de matériaux rares et coûteux. Des ressources comme le platine sont difficiles à obtenir et augmentent considérablement le coût du processus de fabrication. De plus, la demande de minéraux rares est devenue une préoccupation sécuritaire pour les nations qui cherchent désormais à garantir des réserves abondantes de ces éléments essentiels.

Les batteries lithium-ion souffrent également d’une faible durée de cycle. La conception de ces batteries entraîne une perte à chaque cycle de charge. Ainsi, les batteries lithium-ion voient leurs performances diminuer à chaque cycle. De plus, elles sont très coûteuses à éliminer et peuvent devenir un danger pour la sécurité si elles sont mal chargées ou si une fuite thermique se produit.

La fuite thermique désigne le surchauffage des cellules de batterie lithium-ion, provoquant le même effet sur les cellules voisines. Le résultat est une fusion massive pouvant déclencher des incendies voire des explosions. Les dommages causés lors de ces événements sont bien documentés. Une simple recherche met en évidence une longue histoire d’incendies de batteries lithium-ion à travers le monde.

Surtension

Une autre préoccupation pour les utilisateurs de batteries lithium-ion est la surtension. Ce terme fait référence à la quantité d’énergie nécessaire pour initier 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 des scientifiques ingénieux.

Qu’est-ce que les batteries Lithium-CO₂ et comment fonctionnent-elles ?

Les batteries Lithium-CO₂ ont émergé comme une alternative prometteuse. Ces batteries rechargeables utilisent le gaz CO₂ comme vecteur d’énergie. Cette structure offre plusieurs avantages majeurs tels qu’une performance améliorée, une capacité supérieure et une meilleure qualité de l’air. Par conséquent, beaucoup estiment que les batteries Lithium-CO₂ représentent la meilleure étape pour atteindre des émissions nettes de carbone nulles à l’avenir.

Inconvénients des batteries Lithium-CO₂ actuelles

L’un des principaux inconvénients de l’utilisation des batteries Li-CO₂ aujourd’hui est le manque de catalyseurs fiables et peu coûteux. En reconnaissant ce problème, les ingénieurs ont créé une nouvelle version qui intègre les avancées récentes en science des matériaux et en modélisation informatique. Cette nouvelle approche promet de résoudre simultanément deux problèmes : la consommation d’énergie et la qualité de l’air.

Étude révolutionnaire sur les batteries Lithium-CO₂ de l’University of Surrey

L’étude¹, « Ultra-faible surtension dans les batteries Li–CO₂ rechargeables rendue possible par le phosphomolybdate de césium comme catalyseur redox efficace », publiée dans Advanced Science, explore les batteries « respirantes ». Ces dispositifs utilisent le CO₂ pour interagir avec un catalyseur spécialement conçu, créant ainsi une boucle d’énergie propre.

Démontage des batteries Lithium-CO₂

Dans le cadre de leur processus, les ingénieurs ont créé plusieurs batteries Li-CO₂ avec différents catalyseurs. Ils ont ensuite soumis les batteries à des milliers de cycles de charge, représentant des années d’utilisation quotidienne. Après la période de cycles, ils ont démonté les unités afin de mieux comprendre ce qui s’était passé en termes de dégradation, d’accumulation et d’autres facteurs limitant la performance. Notamment, l’équipe a observé que des dépôts de carbonate de lithium se formaient et qu’ils pouvaient être facilement retirés pour permettre à la batterie d’améliorer son cycle de charge.

Source – Surrey School of Chemistry and Chemical Engineering and the Advanced Technology Institute

Modèle informatique des batteries Lithium-CO₂

Les chercheurs ont utilisé les données obtenues lors de leurs expériences pour créer un modèle informatique précis. Le modèle utilise la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT) pour prédire les détails critiques et les changements. Ce modèle a renforcé la capacité de l’équipe à mener des expériences de pensée et a aidé à réduire les coûts totaux tout en élargissant leurs tests. L’objectif était d’utiliser le modèle pour identifier le meilleur matériau afin de créer une structure poreuse stable capable de soutenir les réactions chimiques qui font fonctionner les batteries lithium.

Phosphomolybdate de césium (CPM)

Après quelques tests, 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 essais. Pour créer le CPM, les ingénieurs ont synthétisé les catalyseurs et revêtu une cathode.

Le matériau s’est avéré idéal car il possède de nombreux sites électroactifs et présente une surface enrichie en oxygène. De plus, le composite possède une morphologie mésoporeuse unique qui améliore sa durabilité et ses performances pendant les cycles de charge, ce qui signifie que ces batteries consomment moins d’énergie pour se recharger par rapport à leurs prédécesseurs.

Ces pores CPM sont idéaux car ils favorisent une diffusion efficace des molécules de CO₂ et des ions Li+ vers les sites actifs. De plus, les pores remplissent une autre fonction, en accueillant les produits de décharge. Notamment, les structures cristallines ne mesurent que 140 nm.

Diffraction des rayons X en poudre (PXRD)

Les ingénieurs ont examiné la structure du réseau cristallin et la composition du catalyseur CPM synthétisé à l’aide d’une méthode de diffraction des rayons X en poudre. Cet outil fonctionne en focalisant les rayons X sur la structure et en analysant son motif de diffraction.

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR)

L’étape suivante consistait à déterminer quelle énergie était absorbée ou émise lors des processus. Les ingénieurs ont utilisé une spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier pour réaliser cette étape. L’équipe a constaté la présence de particules keggin pendant le processus, ce qui correspondait aux prédictions de leur modèle informatique.

Unités Keggin

L’équipe a consacré beaucoup d’efforts pour déterminer si leur création intégrait des unités Keggin à sa surface. Les unités Keggin désignent un cadre cristallin reconnu pour sa robustesse et sa stabilité structurelle. C’est la configuration idéale pour les batteries car elle conserve sa structure tout au long du processus de cyclage.

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS)

L’équipe a utilisé la spectroscopie photoélectronique aux rayons X pour approfondir la compréhension de l’état chimique du catalyseur pendant le processus et après. Ils ont déterminé avec précision la composition élémentaire de la surface et l’ont ajustée afin d’optimiser les performances et la longévité de la batterie.

Thermogravimétrie (TG)

L’étape suivante consistait à déterminer s’il y avait de l’humidité entrant dans le système ou produite comme sous-produit. Les chercheurs ont employé la thermogravimétrie pour évaluer la teneur en eau du composite CPM. Le test a révélé que le nouveau design pouvait soutenir le développement de batteries à haute densité.

Test des batteries Lithium-CO₂

Une série d’expériences en laboratoire a aidé les ingénieurs à vérifier leurs prédictions. L’équipe a réalisé à la fois des simulations physiques et informatiques pour évaluer la capacité électrocatalytique du catalyseur CPM à améliorer la cinétique CRR/CER. Ils ont déterminé que leur structure possédait des caractéristiques uniques la rendant idéale comme catalyseur.

Résultats des tests des batteries Lithium-CO₂

Les résultats des tests ont été révélateurs. La nouvelle structure de batterie a fonctionné sans défaillance. L’équipe a réalisé 100 cycles à 50 mA g⁻¹ avec une limitation de capacité de 500 mAh g⁻¹. Elle a noté que le dispositif pouvait stocker davantage d’énergie et était plus facile à charger que les options lithium-ion traditionnelles. De manière impressionnante, les batteries améliorées ont démontré une capacité de décharge exceptionnelle de 15440 mAh g⁻¹ à 50 mA g⁻¹ avec une efficacité coulombique de 97,3 %. De plus, le catalyseur a fourni une surtension faible de 0,67 V.
Ces données ont démontré que le nouveau design était bien plus efficace que le catalyseur traditionnel. En particulier, il offre une capacité de charge-décharge supérieure et des batteries à surtension plus faible. De plus, la conception de la batterie Li-CO₂ assure une stabilité prolongée de 107 cycles à 50 mA g⁻¹ avec une capacité limitée de 500 mAh g⁻¹.

Principaux avantages des batteries Lithium-CO₂ pour l’énergie propre

Les batteries lithium-CO₂ offrent de nombreux avantages sur le marché. Tout d’abord, elles proposent 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 la voie à l’industrie des batteries pour réaliser des améliorations significatives tout en réduisant la pollution.

Capacité supérieure

Le rapport montre que les batteries Lithium-CO₂ peuvent offrir une capacité supérieure à leurs prédécesseurs. De plus, elles présentent une surtension beaucoup plus faible, ce qui signifie qu’elles consomment beaucoup moins d’énergie pour se charger. Cette approche de charge moins intensive prolonge le cycle de vie de la batterie sans réduire ses performances.

Les batteries Lithium-CO₂ sont plus abordables.

Une autre raison pour laquelle les fabricants de batteries et les consommateurs pourraient observer un afflux soudain d’options Lithium-CO₂ est qu’elles offrent un processus de fabrication plus abordable. En combinant les coûts de production réduits avec les émissions plus faibles, 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 mis à l’échelle pour répondre aux besoins de la communauté. La demande d’options d’énergie propre pour alimenter les appareils portables est massive. Les ingénieurs considèrent ce développement de batterie comme une amélioration économique qui a l’avantage supplémentaire de capturer 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 pourront fonctionner efficacement dans un large éventail d’applications. Les unités offrent une plus grande capacité énergétique et peuvent être mises à l’échelle pour garantir qu’elles conviennent à chaque usage.

Pas de métaux rares

Les métaux rares sont une ressource limitée dont la valeur ne cesse d’augmenter. Des tarifs importants et d’autres législations sont déjà en place pour tenter de protéger l’accès aux métaux rares par les superpuissances mondiales. La décision des ingénieurs d’éliminer le besoin de ces minéraux dans la conception de leurs batteries pourrait être l’une des principales raisons du succès de cette technologie.

Applications réelles des batteries Lithium-CO₂ et quand les attendre

Il existe de nombreuses applications pour des batteries plus écologiques. 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 aidant à réduire les gaz à effet de serre nocifs.

Voyage spatial

Le voyage spatial est une autre application de cette technologie. Alors que les scientifiques continuent de chercher des moyens de soutenir l’exploration de l’espace profond et d’autres mondes, de nouvelles options énergétiques doivent être étudiées. Cette dernière avancée présente des avantages clés, car elle pourrait fonctionner sur des planètes lointaines comme Mars, dont l’atmosphère est composée à 95 % de CO₂.

Chronologie des batteries Lithium-CO₂

Il pourrait falloir environ +5 ans avant que les batteries CO₂ n’atteignent les consommateurs. La technologie existe, mais l’équipe doit encore déterminer la meilleure approche pour commercialiser son invention. Notamment, la demande croissante pour respecter les engagements de carbone net zéro pourrait accélérer cette chronologie et favoriser l’intégration des options lithium-CO₂ comme priorité.

Chercheurs des batteries Lithium-CO₂

L’étude sur les batteries lithium-CO₂ a été organisée par la School of Chemistry and Chemical Engineering de Surrey et l’Advanced Technology Institute. L’article révolutionnaire cite Siddharth Gadkari et Daniel Commandeur comme co‑auteurs de l’étude. Ils ont reçu le soutien de Mahsa Masoudi, Neubi F. Xavier Jr, James Wright, Thomas M Roseveare, Steven Hinder, Vlad Stolojan, Qiong Cai et Robert C. T. Slade.

Avenir des batteries Lithium-CO₂

L’équipe souhaite approfondir l’étude d’autres matériaux et la façon dont ces catalyseurs interagissent avec les électrodes et les électrolytes. Elle veut également explorer davantage le polyoxométalate de type Keggin comme catalyseur redox bifonctionnel. Ces étapes pourraient aider à améliorer des aspects majeurs de leur conception, y compris le cyclage réversible des batteries rechargeables Li–CO₂.

Investir dans le secteur des batteries

Plusieurs entreprises sont actives sur le marché des batteries. Ces sociétés couvrent tout le spectre, des fabricants de premier rang bien connus aux alternatives à bas coût, voire aux contrefaçons. La demande de batteries de qualité reste élevée. Voici un fabricant de batteries qui reste bien positionné pour réussir et pourrait intégrer les batteries lithium-CO₂ dans ses produits à l’avenir.

Solid Power

Solid Power (SLDP ) est entrée sur le marché en 2011 et a son siège au Colorado. L’objectif de l’entreprise est de créer des alternatives de batteries à l’état solide haute performance. Depuis son lancement, Solid Power a connu un soutien et 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 options solides à base de sulfure. Cette approche a réduit le risque d’incendie ou de fuite thermique.

Solid Power possède 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 a conclu des accords avec divers fabricants de différents secteurs, y compris les secteurs médical et manufacturier.