Étude des systèmes Li-Air non aqueux réversibles
par Vincent Giordani
Thèse de doctorat en Sciences. Sciences des matériaux
Sous la direction de Jean-Marie Tarascon et de Peter G. Bruce.
Soutenue en 2010
à Amiens .
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Résumé
Les accumulateurs à ions lithium (piles rechargeables ou batteries Li-ion) ont transformé l’électronique portative et, dans le contexte actuel des énergies renouvelables et du développement durable, détiennent la clé du succès des futures voitures électriques. Cependant, il est nécessaire d’augmenter la densité d’énergie (Wh par kg) des accumulateurs actuels, autrement dit l’autonomie de la batterie sur un cycle de décharge, dans le but de faciliter la pénétration des voitures électriques sur le marché. De nouveaux systèmes plus denses en énergie que les batteries Li-ion sont à l’heure actuelle étudiés et parmi eux figurent les accumulateurs lithium-air (Li-O2). Technologie particulièrement originale, nouvelle chimie, les systèmes lithium-air rechargeables se situent à mi-chemin entre une pile à combustible, où l’électrode positive est composée de carbone et d’un catalyseur de la réaction de réduction de l’oxygène; et un accumulateur lithium métal, où l’électrode négative est composée de lithium métallique. L’électrolyte peut être aqueux ou non aqueux, cependant dans le cas d’un électrolyte aqueux, il est nécessaire de protéger l’électrode de lithium afin de la rendre opérante. L’objectif de ce travail de thèse fut d’étudier et de comprendre le fonctionnement des systèmes non aqueux : mise en forme de l’électrode à air, des protocoles expérimentaux de tests électrochimiques, étude des mécanismes de décharge et de charge de la batterie, synthèse et étude de catalyseurs, effet de la nature du carbone et la structuration de l’électrode sur les performances électrochimiques de l’accumulateur. Une étude détaillée révèle les verrous technologiques de ces systèmes, tels que la limitation de la capacité électrochimique due à la passivation et au blocage progressif de l’électrode à air lors de la décharge de la batterie (formation d’un précipité le peroxyde de lithium), mais aussi la nécessité de mettre au point un électrolyte stable qui soit compatible avec l’électrochimie de l’oxygène en milieu non aqueux.
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Titre traduit
The non-aqueous rechargeable Li-Air Battery
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Résumé
Li-ion cells have transformed portable electronics and, in the context of alternative clean energy sources, are critical to the future generation of electric vehicles. However, research on Li-ion batteries is only likely to double their capacity, which is not sufficient for the extended driving range required by electric vehicles in the long term. Therefore, new battery technologies need to be explored and among them the Li-air (Li-O2) technology is currently receiving a great deal of attention. The theoretical energy density of the non-aqueous lithium-air battery is 2731 Wh/kg, based on electrode materials, electrolyte and reaction product being pure Li2-O2. The understanding of the Li-air battery is still in its infancy. The non-aqueous lithium-air battery was first reported by Abraham in 1996. Subsequently, it was pursued mainly as a primary battery by a number of groups in both aqueous and non-aqueous forms ; however it is the rechargeable litium-air battery that is of interest as a means of storing electrical energy. Despite important recent advances, significant hurdles remain to be overcome before it could become a viable technology and reach its theoretical energy storage. One of the most important challenges is to understand the reactions taking place in the Li-air battery as it is charged and discharged. Such an understanding is essential if we are to evaluate whether the exceptional potential performance of this electronical device could be achieved in practice.
