Batterie oxygène-ion : durable, sans éléments rares ni risques d’incendie

Les batteries lithium-ion sont aujourd’hui omniprésentes – des voitures électriques aux smartphones. Mais cela ne signifie pas qu’elles constituent la meilleure solution pour tous les domaines d’application. La TU Wien a réussi à mettre au point une batterie oxygène-ion qui présente d’importants avantages. Bien qu’elle ne permette pas d’atteindre des densités d’énergie aussi élevées que la batterie lithium-ion, sa capacité de stockage ne diminue pas irrémédiablement avec le temps : elle peut être régénérée et peut donc permettre une durée de vie extrêmement longue.

En outre, les batteries oxygène-ion peuvent être produites sans éléments rares et sont constituées de matériaux incombustibles. Une demande de brevet pour la nouvelle idée de batterie a déjà été déposée avec des partenaires de coopération espagnols. La batterie oxygène-ion pourrait être une excellente solution pour les grands systèmes de stockage d’énergie, par exemple pour stocker l’énergie électrique provenant de sources renouvelables.

Les matériaux céramiques, une nouvelle solution

« Nous avons une grande expérience des matériaux céramiques qui peuvent être utilisés pour les piles à combustible depuis un certain temps« , explique Alexander Schmid de l’Institut des technologies chimiques et de l’analyse de l’Université technique de Vienne. « Cela nous a donné l’idée d’étudier si ces matériaux pouvaient 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 d’oxygène doublement chargés négativement. Lorsqu’une tension électrique est appliquée, les ions d’oxygène migrent d’un matériau céramique à l’autre, après quoi ils peuvent migrer à nouveau, générant ainsi un courant électrique.

Le principe de base est en fait très similaire à celui des batteries lithium-ion », explique le professeur Jürgen Fleig. « Mais nos matériaux présentent d’importants avantages. La céramique n’est pas inflammable, ce qui exclut pratiquement tout risque d’incendie, comme c’est souvent le cas avec les batteries lithium-ion. En outre, il n’est pas nécessaire d’utiliser des éléments rares, qui sont coûteux ou qui ne peuvent être extraits que d’une manière nuisible à l’environnement.« 

« À cet égard, l’utilisation de matériaux céramiques présente un grand avantage, car ils peuvent être très bien adaptés« , explique Tobias Huber. « Il est possible de remplacer certains éléments difficiles à obtenir par d’autres relativement facilement. Le prototype de la batterie utilise encore du lanthane, un élément qui n’est pas vraiment rare, mais pas non plus très courant. Mais même le lanthane doit être remplacé par un élément moins cher, et des recherches sont déjà en cours à ce sujet. Le cobalt ou le nickel, qui entrent dans la composition de nombreuses batteries, ne sont pas utilisés du tout.« 

Une durée de vie élevée

Mais l’avantage le plus important de la nouvelle technologie des piles est peut-être sa longévité potentielle : « Dans de nombreuses batteries, le problème est qu’à un moment donné, les porteurs de charge ne peuvent plus se déplacer« , explique Alexander Schmid. « Ils ne peuvent alors 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, en revanche, peut être régénérée sans problème : Si de l’oxygène est perdu en raison de réactions secondaires, cette perte peut simplement être compensée par de l’oxygène provenant 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’un tiers environ de la densité énergétique des batteries lithium-ion et fonctionne à des températures comprises entre 200 et 400 °C. La technologie est toutefois 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 énergétique plus faible et la température de fonctionnement plus élevée ne jouent pas un rôle décisif. Mais les points forts de notre batterie seraient particulièrement importants dans ce cas : la longue durée de vie, la possibilité de produire de grandes quantités de ces matériaux sans éléments rares et le fait que ces batteries ne présentent aucun risque d’incendie. »

Légende / Prototype de la batterie à l’Université de Vienne (TU Wien)

Crédit / TU Wien