CATL : Les cellules à air respirant constituent le principal domaine de recherche pour l’avenir. Des densités d’énergie plusieurs fois supérieures.
Wu Kai, principal chercheur chez CATL, le plus grand fabricant de cellules Li-ion au monde, a qualifié la technologie des cellules lithium-air qui respirent littéralement l’oxygène de l’atmosphère de « principale zone de recherche future de l’entreprise », selon le site Interested Engineering. Il ne s’agit plus de cellules classiques à électrolyte solide, dont la densité énergétique est 1,5 à 2 fois supérieure à celle des cellules actuelles, mais de produits capables d’emmagasiner jusqu’à quatre fois plus d’énergie pour la même masse.
Lithium-air. Une réalisation solide de CATL : un rêve
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Lithium-air. Une réalisation solide de CATL : un rêve
Lithium-air. Une technologie ancienne avec de nombreux problèmes non résolus
Une densité d’énergie quatre fois supérieure (1,2 kWh/kg) n’est pas une valeur arbitraire, mais le résultat de calculs menés par des scientifiques du laboratoire national américain Argonne, qui testent depuis plusieurs années des prototypes de cellules Li-air. La batterie actuelle d’une voiture électrique, ayant une capacité d’environ 80 kWh et pesant une demi-tonne, pourrait, en utilisant des cellules Li-air, peser environ 150 kilogrammes tout en conservant la même capacité. Elle pourrait également atteindre 250 kilogrammes, permettant ainsi à la voiture électrique d’offrir une autonomie équivalente à celle d’un modèle thermique concurrent, avec exactement la même masse et une répartition plus optimisée (proche du sol).
Schéma de construction de la cellule Li-air (c) ANL
La densité énergétique de l’essence est de 12,9 kWh/kg. La densité énergétique maximale théorique des cellules Li-air est presque égale à celle du lithium pur, soit environ 11,1 kWh/kg, mais en pratique il n’a pas été possible d’atteindre plus d’environ 1/7 de cette valeur (~1,7 kWh/kg ; source). La limitation réside ici dans le lithium lui-même, qui dépasse les limites de la cellule le long des voies ioniques (dendrites), ce qui provoque un court-circuit lorsqu’il en est présent en trop grande quantité. Cela semble mauvais par rapport à l’essence, mais il faut se rappeler que dans les véhicules électriques environ 80-90 % de l’énergie stockée parvient aux roues, tandis que dans les voitures à combustion interne l’efficacité est d’environ 25-30 % (3,2-3,9 kWh/kg).
Li-air. Une vieille technologie avec de nombreux problèmes non résolus
Le plus grand problème des cellules Li-air réside dans leur faible durée de vie. Le lithium pur qui constitue l’anode réagit avec l’électrolyte, ce qui entraîne la formation d’une couche d’oxyde, de hydroxyde et de carbonate de lithium qui protège initialement l’électrode contre une corrosion plus importante, mais bloque avec le temps le passage des ions. L’accès libre à l’air – comme son nom l’indique, l’oxydation étant une condition nécessaire au passage des électrons – permet la formation de composés similaires en tout point de la cellule où se trouve du lithium. On envisage l’utilisation de revêtements rigides recouvrant l’anode, qui permettraient le passage des ions tout en empêchant toute réaction avec les facteurs atmosphériques et en bloquant ainsi la croissance des dendrites (cf. : électrolytes solides).
Batterie CATL Shenxing Pro. Lors de l’utilisation de cellules Li-air, elle nécessitera des fils supplémentaires pour aérer l’air, et si elle doit se recharger rapidement, un compresseur également.
Dans la cathode, en revanche, une petite quantité d’eau suffit pour que l’oxyde de lithium se transforme en hydroxyde de lithium qui corrode sa structure. C’est pourquoi, aujourd’hui, après des décennies de recherches sur les batteries respirantes, nous ne savons même pas si la meilleure voie est celle des électrolytes à base d’eau (avec une anode isolée), dans lesquels les oxydes et hydroxydes de lithium se mélangent librement, ou bien celle des électrolytes protoniques (aprotiques), qui ne dissolvent pas les oxydes (et donc ne forment pas d’hydroxydes), mais provoquent néanmoins l’encombrement de la cathode.
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