De nouveaux succès de recherche sur la voie de la super batterie

Depuis 2012, Stefan Freunberger, de l’Institut des technologies des matériaux chimiques de l’Université de technologie de Graz, travaille au développement d’une nouvelle génération de batteries plus puissantes, plus durables et moins chères à produire que les modèles actuels. M. Freunberger voit un grand potentiel dans les batteries lithium-oxygène. Au cours de ses recherches, le scientifique a découvert des parallèles entre le vieillissement des cellules des organismes vivants et celui des batteries en 2017. Dans les deux cas, l’oxygène singulet hautement réactif est responsable du processus de vieillissement. Ce phénomène se produit pendant le processus de décharge et de charge des batteries lithium-oxygène et a constitué un élément central des recherches de M. Freunberger ces dernières années. Dans les revues Nature Communications et Applied Chemistry, le chercheur de Graz montre pour la première fois des moyens de minimiser les effets négatifs de l’oxygène singlet.

Des médiateurs redox stables comme clé de l’efficacité énergétique

Dans Nature Communications En collaboration avec des chercheurs coréens et américains, Freunberger décrit l’influence de l’oxygène singlet sur les médiateurs dits redox, qui peuvent être réduits et oxydés de manière réversible. Ces médiateurs sont essentiels pour le flux d’électrons entre le circuit extérieur et le matériau de stockage de la charge dans les piles à oxygène et déterminent de manière significative leurs performances. Le principe des médiateurs est également repris de la nature, où ils remplissent diverses fonctions dans les cellules vivantes, comme la conduction des stimuli et la production d’énergie. « Jusqu’à présent, on supposait que les médiateurs redox étaient désactivés par les superoxydes et les peroxydes. Cependant, notre recherche montre que l’oxygène singulet en est responsable », a déclaré Freunberger.

En utilisant des calculs dits de théorie fonctionnelle de la densité, les scientifiques ont pu expliquer pourquoi certaines classes de médiateurs sont plus résistantes à l’oxygène singulet que d’autres. Ils ont également identifié les voies les plus probables de l’attaque de l’oxygène singulet. Ces connaissances aident au développement de nouveaux médiateurs redox stables.  » Plus les médiateurs sont stables, plus les batteries seront efficaces, réversibles et durables « , explique Freunberger.

DABCOnium protège efficacement contre l’oxygène singulet

En plus de désactiver les médiateurs redox, l’oxygène singulet est également responsable de réactions chimiques parasites qui réduisent la durée de vie et les performances de charge des batteries. Freunberger a donc cherché un extincteur idéal qui transformerait l’oxygène singulet en oxygène triplet inoffensif, comme cela se produit dans l’air, et s’est inspiré de la biologie : « Dans les cellules vivantes, une enzyme appelée superoxyde dismutase empêche la formation d’oxygène singulet. J’ai utilisé le DABCOnium, un sel du composé organique azoté DABCO, dans mes expériences ». Il s’agit d’un additif pour électrolyte qui est beaucoup plus stable à l’oxydation que les extincteurs connus jusqu’à présent et qui est compatible avec le lithium métal de l’électrode négative. Pour la première fois, Freunberger a pu concevoir la charge des piles lithium-oxygène de manière à ce qu’elle soit largement exempte de réactions secondaires, sans réactions parasites.

Cependant, l’oxygène Singluett n’est pas seulement problématique dans les piles à oxygène, mais aussi dans les derniers développements des batteries lithium-ion, comme Freunberger a pu le démontrer l’année dernière. Par conséquent, les extincteurs sont également pertinents pour eux. M. Freunberger a publié les détails de cet extincteur d’oxygène singlet dans la revue Applied Chemistry publiée.

La combinaison du médiateur et de l’extincteur forme une condition idéale

Dans la prochaine étape, Freunberger veut maintenant combiner les résultats et développer une nouvelle classe de médiateurs. D’une part, il doit être particulièrement résistant à l’attaque de l’oxygène singulet, mais il doit aussi être capable de l’éteindre par lui-même, c’est-à-dire de le combattre efficacement. Cela permettrait de prolonger considérablement la durée de vie des batteries lithium-oxygène et de maximiser l’efficacité énergétique.

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