Des scientifiques inventent un nouveau type de batterie

Par Université de technologie de Vienne15 mai 2023

Un prototype de la batterie à TU Wien. Crédit : TU Wien

Des chercheurs de la TU Wien (Vienne) ont mis au point une batterie oxygène-ion révolutionnaire, qui offre une durabilité exceptionnelle, élimine le besoin d'éléments rares et résout le problème des risques d'incendie.

Les batteries lithium-ion, bien que courantes dans le monde d'aujourd'hui – alimentant tout, des véhicules électriques aux smartphones – ne sont pas nécessairement la solution optimale pour toutes les applications. Des chercheurs de TU Wien ont fait une percée en créant une batterie oxygène-ion qui offre plusieurs avantages significatifs. Bien qu'il ne corresponde pas à la densité d'énergie des batteries lithium-ion, sa capacité de stockage ne diminue pas de manière irréversible avec le temps, ce qui le rend capable d'une durée de vie exceptionnellement longue car il peut être régénéré.

De plus, la fabrication de batteries oxygène-ion ne nécessite pas d'éléments rares et implique des matériaux non combustibles. Le concept innovant de batterie a déjà fait l'objet d'une demande de brevet, déposée en collaboration avec des partenaires en Espagne. Ces batteries oxygène-ion pourraient fournir une solution exceptionnelle pour les systèmes de stockage d'énergie à grande échelle, tels que ceux nécessaires pour conserver l'énergie électrique à partir de sources renouvelables.

"Nous avons depuis un certain temps déjà beaucoup d'expérience avec les matériaux céramiques qui peuvent être utilisés pour les piles à combustible", déclare Alexander Schmid de l'Institut des technologies chimiques et analytiques de la TU Wien. "Cela nous a donné l'idée d'étudier si de tels matériaux pourraient également convenir à la fabrication d'une batterie."

Les matériaux céramiques étudiés par l'équipe de la TU Wien peuvent absorber et libérer des ions oxygène chargés doublement négativement. Lorsqu'une tension électrique est appliquée, les ions oxygène migrent d'un matériau céramique à un autre, après quoi on peut les faire migrer à nouveau, générant ainsi un courant électrique.

Prof. Jürgen Fleig, Tobias Huber et Alexander Schmid (de gauche à droite). Crédit : TU Wien

"Le principe de base est en fait très similaire à la batterie lithium-ion", explique le professeur Jürgen Fleig. "Mais nos matériaux présentent des avantages importants." La céramique n'est pas inflammable - les accidents d'incendie, qui se produisent régulièrement avec les batteries lithium-ion, sont donc pratiquement exclus. De plus, il n'y a pas besoin d'éléments rares, qui sont chers ou ne peuvent être extraits que de manière nocive pour l'environnement.

"A cet égard, l'utilisation de matériaux céramiques est un grand avantage car ils peuvent très bien s'adapter", explique Tobias Huber. "Vous pouvez remplacer certains éléments difficiles à obtenir par d'autres relativement facilement." Le prototype de la batterie utilise toujours du lanthane - un élément qui n'est pas exactement rare mais pas tout à fait commun non plus. Mais même le lanthane doit être remplacé par quelque chose de moins cher, et des recherches à ce sujet sont déjà en cours. Le cobalt ou le nickel, qui sont utilisés dans de nombreuses batteries, ne sont pas du tout utilisés.

Mais l'avantage le plus important de la nouvelle technologie de batterie est peut-être sa longévité potentielle : "Dans de nombreuses batteries, vous avez le problème qu'à un moment donné, les porteurs de charge ne peuvent plus bouger", explique Alexander Schmid. "Ensuite, ils ne peuvent plus être utilisés pour produire de l'électricité, la capacité de la batterie diminue. Après de nombreux cycles de charge, cela peut devenir un problème sérieux."

La batterie oxygène-ion, cependant, peut être régénérée sans aucun problème : si l'oxygène est perdu en raison de réactions secondaires, la perte peut simplement être compensée par l'oxygène de l'air ambiant.

Le nouveau concept de batterie n'est pas destiné aux smartphones ou aux voitures électriques, car la batterie oxygène-ion n'atteint qu'environ un tiers de la densité d'énergie à laquelle on est habitué avec les batteries lithium-ion et fonctionne à des températures comprises entre 200 et 400 °C. La technologie est pourtant extrêmement intéressante pour le stockage de l'énergie.

"Si vous avez besoin d'une grande unité de stockage d'énergie pour stocker temporairement l'énergie solaire ou éolienne, par exemple, la batterie oxygène-ion pourrait être une excellente solution", explique Alexander Schmid. "Si vous construisez un bâtiment entier rempli de modules de stockage d'énergie, la densité d'énergie plus faible et l'augmentation de la température de fonctionnement ne jouent pas un rôle décisif. Mais les points forts de notre batterie y seraient particulièrement importants : la longue durée de vie, la possibilité de produire de grandes quantités de ces matériaux sans éléments rares, et le fait qu'il n'y a aucun risque d'incendie avec ces batteries."

Référence : "Rechargeable Oxide Ion Batteries Based on Mixed Conducting Oxide Electrodes" par Alexander Schmid, Martin Krammer et Jürgen Fleig, 25 janvier 2023, Advanced Energy Materials.DOI : 10.1002/aenm.202203789