Cellule électrochimique métal-air - Metal–air electrochemical cell
Une cellule électrochimique métal-air est une cellule électrochimique qui utilise une anode en métal pur et une cathode externe d'air ambiant, généralement avec un électrolyte aqueux ou aprotique . Lors de la décharge d'une cellule électrochimique métal-air, une réaction de réduction se produit dans la cathode à air ambiant tandis que l'anode métallique est oxydée . La capacité spécifique et la densité énergétique des cellules électrochimiques métal-air sont supérieures à celles des batteries lithium-ion , ce qui en fait un candidat de choix pour une utilisation dans les véhicules électriques . Cependant, les complications associées aux anodes métalliques, aux catalyseurs et aux électrolytes ont entravé le développement et la mise en œuvre des batteries métal-air, bien qu'il existe certaines applications commerciales.
Les types
| Batterie métal-air | Énergie spécifique théorique, Wh/kg (y compris l'oxygène) |
Énergie spécifique théorique, Wh/kg (hors oxygène) |
Tension en circuit ouvert calculée, V |
|---|---|---|---|
| Aluminium–air | 4300 | 8140 | 1.2 |
| Germanium- air | 1480 | 7850 | 1 |
| Calcium–air | 2990 | 4180 | 3.12 |
| Fer – air | 1431 | 2044 | 1.3 |
| Lithium-air | 5210 | 11140 | 2,91 |
| Magnésium-air | 2789 | 6462 | 2,93 |
| Potassium-air | 935 | 1700 | 2,48 |
| Sodium- air | 1677 | 2260 | 2.3 |
| Silicium-air | 4217 | 9036 | 1.6 |
| Étain- air à 1000 K | 860 | 6250 | 0,95 |
| Zinc-air | 1090 | 1350 | 1,65 |
Lithium-air
La densité énergétique remarquablement élevée du lithium métal (jusqu'à 3458 Wh/kg) a inspiré la conception des batteries lithium-air. Une batterie lithium-air se compose d'une électrode au lithium solide, d'un électrolyte entourant cette électrode et d'une électrode à air ambiant contenant de l'oxygène. Les batteries lithium-air actuelles peuvent être divisées en quatre sous-catégories en fonction de l'électrolyte utilisé et de l'architecture des cellules électrochimiques qui en découle. Ces catégories d'électrolytes sont les électrolytes aprotiques, aqueux , mixtes aqueux/aprotiques et à l'état solide, qui offrent tous leurs propres avantages et inconvénients. Néanmoins, l'efficacité des batteries lithium-air est toujours limitée par une décharge incomplète à la cathode, une surtension de charge dépassant la surtension de décharge et la stabilité des composants. Lors de la décharge des batteries lithium-air, l' ion superoxyde (O 2 − ) formé réagira avec l'électrolyte ou d'autres composants de la cellule et empêchera la batterie d'être rechargeable.
Sodium–air
Les batteries sodium-air ont été proposées dans l'espoir de surmonter l'instabilité des batteries associée au superoxyde dans les batteries lithium-air. Le sodium , avec une densité énergétique de 1605 Wh/kg, n'a pas une densité énergétique aussi élevée que le lithium. Cependant, il peut former un superoxyde stable (NaO 2 ) par opposition au superoxyde subissant des réactions secondaires néfastes. Étant donné que NaO 2 se décomposera de manière réversible dans une certaine mesure en composants élémentaires, cela signifie que les batteries sodium-air ont une certaine capacité intrinsèque à être rechargeables. Les batteries sodium-air ne peuvent fonctionner qu'avec des électrolytes aprotiques et anhydres. Lorsqu'un électrolyte DMSO a été stabilisé avec du trifluorométhanesulfonimide de sodium, la stabilité de cyclage la plus élevée d'une batterie sodium-air a été obtenue (150 cycles).
Potassium-air
Des batteries potassium-air ont également été proposées dans l'espoir de surmonter l'instabilité des batteries associée au superoxyde dans les batteries lithium-air. Bien que seulement deux à trois cycles de charge-décharge aient été réalisés avec des batteries potassium-air, elles offrent une différence de surtension exceptionnellement faible de seulement 50 mV.
Zinc-air
Les piles zinc-air sont utilisées pour les appareils auditifs et les appareils photo argentiques.
Magnésium-air
Calcium–air
- Des batteries calcium-air (O 2 ) ont été signalées.
Aluminium–air
Fer–air
Les batteries rechargeables fer-air sont une technologie attrayante avec le potentiel de stockage d'énergie à l'échelle du réseau . La principale matière première de cette technologie est l'oxyde de fer (rouille) qui est abondant, non toxique, peu coûteux et respectueux de l'environnement. La plupart des batteries en cours de développement utilisent de l'oxyde de fer (principalement des poudres) pour générer/stocker de l'hydrogène via la réaction de réduction/oxydation Fe/FeO (redox) (Fe + H 2 O FeO + H 2 ). En conjonction avec une pile à combustible, cela permet au système de se comporter comme une batterie rechargeable créant du H 2 O/H 2 via la production/consommation d'électricité. De plus, cette technologie a un impact environnemental minimal car elle pourrait être utilisée pour stocker de l'énergie à partir de sources d'énergie solaire et éolienne intermittentes, en développant un système énergétique à faibles émissions de dioxyde de carbone.
Une façon dont le système peut démarrer est d'utiliser la réaction d'oxydoréduction Fe/FeO ; puis l'hydrogène créé lors de l'oxydation du fer peut être consommé par une pile à combustible, en conjonction avec l'oxygène de l'air pour créer de l'électricité. Lorsque l'électricité doit être stockée, l'hydrogène généré à partir de l'eau en faisant fonctionner la pile à combustible à l'envers est consommé lors de la réduction de l'oxyde de fer en fer métallique. La combinaison de ces deux cycles est ce qui fait que le système fonctionne comme une batterie rechargeable fer-air.
Les limites de cette technologie proviennent des matériaux utilisés. Généralement, on choisit des lits de poudre d'oxyde de fer ; cependant, un frittage et une pulvérisation rapides des poudres limitent la capacité d'atteindre un nombre élevé de cycles, ce qui entraîne une capacité réduite. D'autres méthodes actuellement à l'étude, telles que l'impression 3D et la lyophilisation , cherchent à permettre la création de matériaux d'architecture pour permettre des changements de surface et de volume élevés au cours de la réaction redox.