Une batterie Li-CO2 réversible et à très haute densité d’énergie

On savait déjà que des batteries basées sur le couple Li-CO2 pouvaient avoir une densité d’énergie sept fois plus élevée que celle des batteries Li-Ion actuelles. Dans ce type de batterie les réactions d’oxydo-réduction se traduisent, durant la décharge, par une réduction du CO2  qui fournit du carbone et du Li2CO3. Durant la charge, il y a une régénération du gaz CO2. Jusqu’ici ce genre de batteries étaient instables et pas vraiment  réversibles. Des chercheurs de The University of lllinois at Chicago, USA, de Purdue University, West Lafayette, USA et de l’Argonne National Laboratory, Argonne, USA, ont réussi à réaliser une batterie de ce type complètement réversible et à long cycle de vie.

Ils ont obtenu cette avancée en utilisant une cathode en papier de carbone du type utilisé comme couche de diffusion gazeuse qu’ils ont munie d’un catalyseur, le bisulfure de molybdène MoS2, préparé en flocons nanoscopiques.

 

Structure du prototype de batterie

L’anode est une mince plaque  de lithium. Un filtre en microfibres de verre imprégné d’électrolyte la sépare de la cathode. L’ensemble est placé dans une enceinte en acier inoxydable munie de raccords à vide qui permettent de purger la cellule et d’y injecter du CO2. L’électrolyte est une solution à 0,1 mole d’un sel de lithium, le LiTFST dans un solvant {25%/ de 1-ethyl-3-méthylimidazolium tétrafluoroborate (EMIM-BF4) avec 75% de diméthylsulfoxyde (DMSO)}.

Les produits gazeux et volatiles  mis en jeu dans le cycle décharge-charge sont analysés avec une grande sensibilité par un spectromètre de masse différentiel électrochimique. Ceci permet l’analyse spectrométrique durant le fonctionnement en continu de la batterie.

La cellule étant démontable, on peut aussi analyser l’état de ses composants à des moments fixes de son fonctionnement par toutes sortes de méthodes externes. La figure ci-dessous schématise le montage.

Fig. 1. Schéma de la cellule expérimentale La cellule en acier inoxydable est reliée par des raccords démontables, d'une part à une bouteille de CO2 comprimé et un système de pompage, d'autre part à un spectromètre de masse différentiel électrochimique utilisé durant le fonctionnement continu de la batterie. Tiré de A Long-Cycle-Life Lithium–CO2 Battery with Carbon Neutrality Alireza Ahmadiparidari, Robert E. Warburton, Leily Majidi, Mohammad Asadi, Amir Chamaani, Jacob R. Jokisaari, Sina Rastegar, Zahra Hemmat, Baharak Sayahpour, Rajeev S. Assary, Badri Narayanan, Pedram Abbasi, Paul C. Redfern, Anh Ngo, Márton Vörös, Jeffrey Greeley, Robert Klie, Larry A. Curtiss, Amin Salehi-Khojin Advanced Materials, 2019, 31, 1902518. Supplementary Information Avec autorisation des auteurs.

Fig. 1. Schéma de la cellule expérimentale
La cellule en acier inoxydable est reliée par des raccords démontables,
d’une part à une bouteille de CO2 comprimé et un système de pompage, d’autre part à un spectromètre de masse différentiel électrochimique utilisé durant le fonctionnement continu de la batterie.
Tiré de A Long-Cycle-Life Lithium–CO2 Battery with Carbon Neutrality
Alireza Ahmadiparidari, Robert E. Warburton, Leily Majidi, Mohammad Asadi,
Amir Chamaani, Jacob R. Jokisaari, Sina Rastegar, Zahra Hemmat, Baharak
Sayahpour, Rajeev S. Assary, Badri Narayanan, Pedram Abbasi, Paul C. Redfern,
Anh Ngo, Márton Vörös, Jeffrey Greeley, Robert Klie, Larry A. Curtiss, Amin
Salehi-Khojin
Advanced Materials, 2019, 31, 1902518. Supplementary Information
Avec autorisation des auteurs.

 

Ce qui se passe à la cathode

Les chercheurs ont pu montrer que l’équation la plus certaine de la réaction d’oxydo-réduction  de décharge  à la cathode était :

3CO2 + 4Li+ + 4e   →  2Li2CO3+ C

Le CO2 est réduit dans cette opération, il faudra oxyder le carbone dans la réaction inverse ainsi que Li2CO3.  

Jusqu’ici, personne n’était parvenu à rendre cela pleinement réversible, on ne pouvait recharger une batterie Li-CO2.

Les scientifiques américains ont résolu ce problème en utilisant comme catalyseur des réactions le MoS2 déposé sur la cathode sous forme de flocons .

Leur prototype de batterie a pu effectuer 500 cycles consécutifs de charge et décharge avec une capacité par unité de masse de 500 mAh/g.

 

La figure suivante schématise le fonctionnement à la cathode de cette batterie :

Fig.2. Schéma du mécanisme de charge et décharge de la batterie Li-CO2 Décharge : réduction du CO2. Charge : oxydation du carbone. Tiré de A Long-Cycle-Life Lithium–CO2 Battery with Carbon Neutrality Alireza Ahmadiparidari, Robert E. Warburton, Leily Majidi, Mohammad Asadi, Amir Chamaani, Jacob R. Jokisaari, Sina Rastegar, Zahra Hemmat, Baharak Sayahpour, Rajeev S. Assary, Badri Narayanan, Pedram Abbasi, Paul C. Redfern, Anh Ngo, Márton Vörös, Jeffrey Greeley, Robert Klie, Larry A. Curtiss, Amin Salehi-Khojin Advanced Materials, 2019, 31, 1902518. Avec autorisation.

Fig.2. Schéma du mécanisme de charge et décharge de la batterie Li-CO2
Décharge : réduction du CO2. Charge : oxydation du carbone.
Tiré de A Long-Cycle-Life Lithium–CO2 Battery with Carbon Neutrality
Alireza Ahmadiparidari, Robert E. Warburton, Leily Majidi, Mohammad Asadi,
Amir Chamaani, Jacob R. Jokisaari, Sina Rastegar, Zahra Hemmat, Baharak
Sayahpour, Rajeev S. Assary, Badri Narayanan, Pedram Abbasi, Paul C. Redfern,
Anh Ngo, Márton Vörös, Jeffrey Greeley, Robert Klie, Larry A. Curtiss, Amin
Salehi-Khojin
Advanced Materials, 2019, 31, 1902518. Avec autorisation.

En résumé, les chercheurs ont réalisé une batterie rechargeable Li-CO2 à cathode de carbone recouverte de flocons de MoS2. Elle a pu effectuer 500 cycles décharge-recharge à 500 mA.h/g et fournir une charge-décharge unique de 60000 mA.h/g. Les mesures confirment la présence de Li2CO3 cristallin et de carbone amorphe comme principaux produits de la décharge et leur décomposition réversible dans la phase suivante de charge. Leurs calculs théoriques éclairent le mécanisme réversible de charge-décharge et expliquent l’oxydation de Li2CO3  et du carbone pour générer le CO2 durant la charge. Ces résultats ouvrent la voie à à l’utilisation du CO2 dans les systèmes de stockage de l’énergie électrique de l’avenir.

 

 

 

Pour en savoir plus :

A Long-Cycle-Life Lithium–CO2 Battery with Carbon Neutrality

Alireza Ahmadiparidari, Robert E. Warburton, Leily Majidi, Mohammad Asadi,
Amir Chamaani, Jacob R. Jokisaari, Sina Rastegar, Zahra Hemmat, Baharak
Sayahpour, Rajeev S. Assary, Badri Narayanan, Pedram Abbasi, Paul C. Redfern,
Anh Ngo, Márton Vörös, Jeffrey Greeley, Robert Klie, Larry A. Curtiss, AminSalehi-Khojin

Advanced Materials
, 2019, 31, 1902518.