Matériaux innovants pour la conception d’électrodes à air réversibles pour accumulateurs de type métal-air à haute densité d’énergie – E-AIR

E-AIR est un projet partenarial public-privé, qui réunit trois laboratoires académiques (UCCS Université de Lille, LCMCP au Collège de France et IC2MP Université de Poitiers) et une compagnie privée (EDF). La durée du projet est de 42 mois.
Les progrès réalisés dans le domaine des accumulateurs Li-ion, ont permis la commercialisation de batteries capables d’alimenter des appareils électriques portables ou des véhicules électriques. Leur efficacité énergétique (>90%) et leur longue durée de vie (5000 cycles) expliquent l’engouement pour ces systèmes. Malgré les développements envisagés, de faibles améliorations en termes de performance et de coût (actuellement de l’ordre de 600 $/kWh) sont attendues. La prochaine révolution dans le domaine des accumulateurs pourrait venir des systèmes métal-air. Les accumulateurs métal-air utilisant des électrolytes aqueux sont plus respectueux de l’environnement, plus sûrs, recyclables et permettent potentiellement d’atteindre de hautes densités d’énergie. Deux systèmes sont prometteurs : les accumulateurs Li-air et Zn-air. Des coûts inférieurs à 100 €/kWh avec des densités d’énergie équivalentes à celles des systèmes Li-ion sont possibles avec les accumulateurs Zn-air. Des densités d’énergie supérieures à 500 Wh/kg sont atteignables avec la technologie Li-air. L’électrode à air est néanmoins toujours un point faible de ces systèmes. En utilisant une bi-électrode positive, (charge et décharge sont réalisées avec deux électrodes séparées) des durées de vie supérieures à 3000 cycles ont été obtenues. Une meilleure solution consisterait à réaliser une électrode à air stable et réversible, ce qui ouvrirait la voie vers la réalisation d’accumulateurs compacts et légers (i.e. avec une densité d’énergie élevée). Ce projet vise donc à améliorer les performances des accumulateurs Li-air et Zn-air en ouvrant la voie vers la réalisation de systèmes présentant des densités d’énergie élevées (i.e. 600 Wh/kg pour les systèmes Li-air ; 250 Wh/kg pour les systèmes Zn-air), des durées de vie conséquentes (>3000 cycles), des efficacités énergétiques élevées (jusqu’à 75%), tout en maintenant un coût faible.
L’étude proposée vise à augmenter la réversibilité et la stabilité des électrodes à air actuellement utilisées. Cet objectif peut être satisfait à l’aide de nanocatalyseurs composites constitués d’un oxyde de métal de transition (OMT) en forte interaction avec un matériau à base de graphène dopé par des hétéroatomes (OGRDH). De récentes publications ont montré que les matériaux à base de graphènes dopés par des hétéroatomes (N, S) sont électrochimiquement nettement plus stables que les matériaux carbonés présentant un faible degré de graphitisation. De plus, ils présentent des mobilités électroniques de surface supérieures à celle des matériaux non dopés. La conception de nanomatériaux à taille et morphologie contrôlées combinant des OGRDH et des OMT (MxM’3-xO4 où M est un métal de transition et M’= Co, Mn) est donc l’objectif premier du projet E-AIR.
Les nanocomposites synthétisés devraient exhiber une activité électrocatalytique accrue vis-à-vis des réactions de réduction et d’évolution de l’oxygène en raison d’une :
- diminution de la résistance de transfert de charge.
- variation de la densité électronique sur les sites métalliques de la surface du matériau
- augmentation de la stabilité du matériau OGRDH vis-à-vis de la corrosion due à sa modification électronique par interaction avec les hétéroatomes et l’OMT.
L’activité et la stabilité des catalyseurs composites seront analysées et optimisées en demi-cellule et en conditions réelles de fonctionnement dans des accumulateurs Zn-air et Li-air. Les électrolytes à base de lithium ont un impact négatif sur l’activité des catalyseurs vis-à-vis des réactions de réduction et d’évolution d’oxygène. Des analyses FTIR in-situ seront réalisées pour analyser cet effet. Les résultats obtenus permettront le développement de meilleurs catalyseurs.