Pile électrochimique métal-air
| Pile métal-air | Énergie spécifique théorique, Wh/kg (y compris l’oxygène) |
Énergie spécifique théorique, Wh/kg (sans oxygène) |
Tension calculée en circuit ouvert, 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-airEdit
La densité d’énergie remarquablement élevée du lithium métal (jusqu’à 3458 Wh/kg) a inspiré la conception des batteries lithium-air. Une batterie lithium-air est constituée d’une électrode solide au lithium, 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 de la cellule électrochimique qui en découle. Ces catégories d’électrolytes sont les suivantes : aprotique, aqueux, mixte aqueux/aprotique et solide, qui présentent toutes leurs propres avantages et inconvénients. Néanmoins, l’efficacité des batteries lithium-air reste limitée par une décharge incomplète à la cathode, un surpotentiel de charge supérieur au surpotentiel de décharge et la stabilité des composants. Pendant la décharge des batteries lithium-air, l’ion superoxyde (O2-) formé réagira avec l’électrolyte ou d’autres composants de la cellule et empêchera la batterie d’être rechargeable.
Les batteries sodium-airEdit
Les batteries sodium-air ont été proposées dans l’espoir de surmonter l’instabilité de la batterie associée au superoxyde dans les batteries lithium-air. Le sodium, avec une densité énergétique de 1605 Wh/kg, ne présente pas une densité énergétique aussi élevée que celle du lithium. Cependant, il peut former un superoxyde stable (NaO2) au lieu que le superoxyde subisse des réactions secondaires néfastes. Étant donné que le NaO2 se décompose de manière réversible en composants élémentaires, cela signifie que les piles sodium-air ont une certaine capacité intrinsèque à être rechargeables. Les piles 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 plus grande stabilité de cycle d’une batterie sodium-air a été obtenue (150 cycles).
Potassium-airEdit
Des batteries potassium-air ont également été proposées dans l’espoir de surmonter l’instabilité de la batterie associée au superoxyde dans les batteries lithium-air. Bien que seulement deux à trois cycles de charge-décharge aient jamais été réalisés avec des batteries potassium-air, elles offrent une différence de surtension exceptionnellement faible de seulement 50 mV.
Zinc-airEdit
Les piles zinc-air sont utilisées pour les appareils auditifs et les caméras de cinéma.
Magnésium-airEdit
Calcium-airEdit
Aucun article ; voir aussi Calcium : propriétés chimiques pour certaines réactions de l’air (oxygène).
Aluminium-airEdit
Fer-airEdit
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 développées actuellement utilisent l’oxyde de fer (principalement des poudres) pour générer/stocker de l’hydrogène via la réaction d’oxydoréduction (redox) Fe/FeO (Fe + H2O ⇌ FeO + H2). Associé à une pile à combustible, le système peut ainsi se comporter comme une batterie rechargeable créant H2O/H2 via la production/consommation d’électricité. En outre, cette technologie a un impact minimal sur l’environnement car elle pourrait être utilisée pour stocker l’énergie provenant de sources d’énergie solaire et éolienne intermittentes, en développant un système énergétique avec de faibles émissions de dioxyde de carbone.
Le fonctionnement du système peut commencer par l’utilisation de la réaction redox 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 en sens inverse est consommé pendant la réduction de l’oxyde de fer en fer métallique. C’est la combinaison de ces deux cycles 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, le frittage rapide et la pulvérisation des poudres limitent la possibilité d’atteindre un nombre élevé de cycles, ce qui entraîne une capacité plus faible. D’autres méthodes actuellement à l’étude, telles que l’impression 3D et la coulée par congélation, cherchent à permettre la création de matériaux d’architecture pour permettre des changements de surface et de volume élevés pendant la réaction d’oxydoréduction.