Une équipe de recherche dirigée par le professeur CHEN Wei de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) a présenté un nouveau système de batterie chimique utilisant l'hydrogène gazeux comme anode. L'étude a été publiée dans la revueAngewandte Chemie International Edition.
Hydrogène (H2) a attiré l'attention en tant que vecteur d'énergie renouvelable stable et rentable en raison de ses propriétés électrochimiques favorables. Cependant, les batteries traditionnelles à hydrogène utilisent principalement H2comme cathode, ce qui restreint leur plage de tension à 0,8–1,4 V et limite leur capacité globale de stockage d'énergie. Pour surmonter cette limitation, l'équipe de recherche a proposé une nouvelle approche : l'utilisation de H2Comme anode, la batterie a considérablement amélioré sa densité énergétique et sa tension de fonctionnement. Associée au lithium métal comme anode, elle a démontré des performances électrochimiques exceptionnelles.
Schéma de la batterie Li−H. (Image de l'USTC)
Les chercheurs ont conçu un prototype de système de batterie Li-H, intégrant une anode en lithium métallique, une couche de diffusion de gaz recouverte de platine servant de cathode à hydrogène et un électrolyte solide (Li1.3Al0,3Ti1.7(PO4)3, ou LATP). Cette configuration permet un transport efficace des ions lithium tout en minimisant les interactions chimiques indésirables. Lors des tests, la batterie Li-H a démontré une densité énergétique théorique de 2 825 Wh/kg, tout en maintenant une tension constante d'environ 3 V. De plus, elle a atteint un rendement aller-retour (RTE) remarquable de 99,7 %, indiquant une perte d'énergie minimale pendant les cycles de charge et de décharge, tout en maintenant une stabilité à long terme.
Afin d'améliorer encore la rentabilité, la sécurité et la simplicité de fabrication, l'équipe a développé une batterie Li-H sans anode, qui élimine le besoin de lithium métal préinstallé. À la place, la batterie dépose du lithium à partir de sels de lithium (LiH).2PO4et LiOH) dans l'électrolyte pendant la charge. Cette version conserve les avantages de la batterie Li-H standard tout en offrant des avantages supplémentaires. Elle permet un placage et un décapage efficaces du lithium avec un rendement coulombien (CE) de 98,5 %. De plus, son fonctionnement est stable même à de faibles concentrations d'hydrogène, réduisant ainsi la dépendance au stockage H₂ haute pression. Des modélisations informatiques, telles que des simulations de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), ont été réalisées pour comprendre comment les ions lithium et hydrogène se déplacent dans l'électrolyte de la batterie.
Cette avancée technologique dans le domaine des batteries Li-H ouvre de nouvelles perspectives pour des solutions avancées de stockage d'énergie, avec des applications potentielles dans les réseaux d'énergie renouvelable, les véhicules électriques et même l'aérospatiale. Comparé aux batteries nickel-hydrogène classiques, le système Li-H offre une densité énergétique et un rendement accrus, ce qui en fait un candidat de choix pour le stockage d'énergie de nouvelle génération. La version sans anode pose les bases de batteries à hydrogène plus économiques et évolutives.
Lien vers le document :https://doi.org/10.1002/ange.202419663
(Écrit par ZHENG Zihong, édité par WU Yuyang)
Date de publication : 12 mars 2025