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RMN : suivre en direct la chimie d'une batterie Li-O2


​Les batteries lithium-oxygène offrent une densité énergétique potentielle dix fois supérieure à celle des batteries lithium-ion, mais souffrent d'une faible durée de vie. Des chimistes de l'Iramis ont conçu une cellule RMN permettant d'analyser finement les processus affectant la batterie en fonctionnement.
Publié le 8 juin 2021

Au cours de la décharge d'une batterie Li-O2, les ions Li+ issus de l'anode en lithium métal forment avec O2 du peroxyde de lithium (Li2O2). De manière réversible, Li2O2 issu de la cathode en carbone libère des ions Li+ et O2 quand la batterie est en charge.

Pour étudier par résonance magnétique nucléaire (RMN) les réactions chimiques à l'œuvre dans la batterie en fonctionnement, les chercheurs ont dû concevoir un dispositif fermé, incorporant un réservoir d'oxygène, satisfaisant différentes contraintes (encombrement, absence de pièces métalliques, tenue mécanique, etc.).

Grâce à cette cellule originale, ils ont pu observer, au cours de la décharge, une baisse de la concentration en lithium métallique au niveau de l'anode, ce qu'ils ont principalement attribué à la formation attendue de Li2O2. Quand la batterie est en charge, le lithium métallique se redépose sur l'anode sous forme de « mousse » et de « dendrites » sans revenir à la masse d'avant la décharge. L'oxydation de Li2O2 en Li et O2 n'est donc pas complète et une partie du lithium est consommée dans des processus parasites. Ceci est aussi en accord avec l'évolution de la résonance RMN des phases solides pendant la charge, suggérant que des produits irréversibles et parasites se sont également formés, tels que Li2CO3 et l'acétate de Li, ce qui explique le faible rendement de la cellule.

Ces travaux ouvrent la voie à l'analyse RMN operando d'autres batteries métal-oxygène telles que Na-O2, Al-O2 ou Zn-O2, ou de tout dispositif électrochimique demandant un apport de gaz, tel qu'une pile à combustible qui requiert un flux continu de combustibles et d'oxydants au sein même de la cellule.


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