Les systèmes métal-air, et plus spécialement le lithium-air, suscitent aujourd’hui un engouement en raison de leur densité d’énergie théorique (3 500 Wh/kg) quinze fois supérieure à celle des accumulateurs à ions lithium et de leur écocompatibilité. Cependant, pour rendre de tels systèmes opérationnels, de nombreux verrous scientifiques et technologiques liés i) à la faible efficacité énergétique du système due à une large polarisation, ii) à son caractère faiblement rechargeable, iii) à la comptabilité limitée de l’électrolyte avec l’oxygène et iv) au dépôt dendritique de Li à l’électrode négative – pour ne citer que ceux-là – doivent être levés. Ces différents verrous ont été abordés, ainsi que les recherches qu’ils engendrent à ce jour.
La formation de l’ion (O–), qui est un nucléophile puissant, lors de la réduction d’O2 est problématique car elle entraîne la dégradation de la plupart des électrolytes connus à ce jour. Des études fondamentales sur la mécanistique de la formation des espèces superoxydes LiO2 et peroxyde Li2O2 ont montré que le mécanisme de croissance de l’oxyde produit dépendait du nombre donneur du solvant (ND). Cela s’avère avoir des conséquences importantes sur la performance des cellules Li-air dont la capacité est maximale (1 200 mAh/g de Li2O2) pour des électrolytes à ND élevés (DMSO). Cependant Li2O2 est un mauvais matériau d’électrode car isolant, ce qui entraîne des performances médiocres en puissance. Pour contrecarrer cet inconvénient, le concept d’utiliser Li2O2 pour stocker les charges et un redox médiateur (DiButhylBenzoQuinne, DBBQ) pour transférer les électrons a été poursuivi avec succès. Il reste néanmoins le défi de trouver un autre médiateur redox pouvant opérer en oxydation et travailler en synergie avec DBBQ. De nombreux catalyseurs (oxydes, voire métaux comme Pd) ont été utilisés avec un succès limité pour augmenter le fonctionnement de l’électrode positive (par ex. : tissu de carbone). Les tentatives de remplacement de l’électrode de Li par une électrode de Si pour s’affranchir des problèmes de dendrites n’ont guère été plus convaincantes. Ce travail étendu à d’autres systèmes M-air (M = Al, Ni, Zn, Co Cd), en milieu non aqueux voire en milieu aqueux, fut riche de surprises passionnantes d’un point de vue fondamental mais cauchemardesque vis-à-vis des applications. L’idée élégante de vouloir tirer parti de l’ajout de CO2 dans le système Li-air pour augmenter la capacité du système a également été rapidement démentie.
Ce cours été conclu par une citation d’un fervent partisan de la technologie Li-air depuis ses débuts qu’est Toyota : « Les batteries Li-air peuvent ou ne peuvent jamais arriver, mais ce n’est pas faute d’essayer ». Ainsi se résume l’engouement pour les batteries Li-air, qui ont mobilisé scientifiques, industriels et financiers pour tomber en l’espace de cinq ans dans l’oubli pour donner naissance à un autre effet de mode que sont les batteries « tout solide ».
