Les batteries lithium-air, championnes de la densité

Lorsqu'un industriel du gabarit d'IBM annonce qu'il va mettre des dizaines de millions de dollars sur la table pour faire aboutir une technologie émergente, c'est bon signe. Aussi, lorsque Big Blue a lancé, cet été, un programme sur les batteries lithium-air, successeurs déjà annoncés du lithium ion, le sujet est passé de la futurologie au présent. Une promotion qui s'appuie sur le travail des laboratoires qui, depuis des années, ont permis d'avancer dans la compréhension d'une technologie complexe, mais déjà employée sous forme de piles (non rechargeables) pour des implants auditifs.

La technologie lithium-air affiche une densité énergétique théorique de 5 000 Wh / kg. En pratique, elle pourrait se situer entre 1700 et 2 400 Wh / kg, contre 200 Wh / kg pour les batteries lithium ion les plus performantes. L'enjeu économique est tel que les laboratoires restent discrets sur leurs avancées. Le MIT est dans la course, tout comme les japonais du National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, l'université Saint Andrews en Ecosse, l'Allemagne, le Royaume-Uni, la Chine, etc. En France, le CEA est impliqué et a déjà déposé un brevet. « Notre objectif d'ici à 2012 est de développer un démonstrateur de 300 Wh / kg à 10 ampères-heures avec un nombre de cycles significatif pour une application automobile », annonce Florence Fusalba, la responsable du programme stockage de l'énergie au CEA Liten. Une voiture équipée d'une batterie lithium-air de 100 kg à 300 Wh aurait une autonomie moyenne de 750 kilomètres. Le laboratoire de réactivité et chimie des solides (LRCS) du CNRS coordonne quant à lui le réseau d'excellence Alistore, créé en 2004 et regroupant 16 pays autour des nanomatériaux pour batteries.

« La pile lithium-air est un hybride entre la pile lithium ion et la pile à combustible », explique Florence Fusalba. Dans une batterie lithium métal-air, l'anode est entièrement faite de lithium métal et l'air agit comme la cathode. Le problème est que les ions lithium réagissent violemment au contact de l'eau. Quelques traces d'humidité peuvent dégrader significativement le matériel. Le développement de filtres à air performants est essentiel. La jeune société américaine Polyplus a fait un grand pas en « protégeant » l'électrode avec une couche de lisicon, un électrolyte céramique hydrofuge mais perméable aux ions lithium. Reste à savoir si cette céramique est résistante dans le temps et peut être produite en masse. D'autres problèmes sont à regarder de près, comme l'accumulation de produits de réaction parasites du type oxyde de lithium. Néanmoins, les chercheurs sont confiants. Winfried Wilcke, senior manager chez IBM, espère que les questions scientifiques de base seront réglées dans les trois ans. « Il n'y a pas de raison que la courbe de progression que nous avons connue pour le lithium ion ne soit pas la même pour le lithium air », confirme Florence Fusalba. Enfin, le lithium n'est pas le seul matériau qui peut fonctionner avec l'air comme cathode : des études sont menées avec l'aluminium, le magnésium, le zinc, et même le carbone. Certains couples présentent même une densité théorique supérieure au lithium air...