Le passage des combustibles fossiles aux sources d'énergie renouvelables et durables est accéléré par la volonté croissante de construire une économie bas carbone, ce qui a un impact profond sur les modes de consommation énergétique dans le monde entier. Dans ce contexte, les batteries et autres dispositifs de stockage d'énergie électrochimiques jouent un rôle essentiel pour stocker l'énergie intermittente générée par des sources renouvelables telles que le vent, le solaire et la géothermie. Parmi ces technologies, les batteries lithium-ion (LiB) ont dominé le marché des appareils portables et commencent à s'imposer progressivement dans des secteurs comme les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie fixes. Toutefois, bien que les LiBs soient largement utilisées, elles peinent à atteindre certains objectifs de densité énergétique à niveau cellulaire (~350 Wh kg⁻¹), densité énergétique volumétrique (~750 Wh L⁻¹) et coût (moins de 170 A$/kWh), et nécessitent encore des améliorations pour satisfaire aux exigences futures.

Afin de répondre à cette demande croissante d'une densité énergétique moins coûteuse (~500 Wh kg⁻¹), les chercheurs se tournent vers des chimies de batteries alternatives, en particulier celles reposant sur des électrodes métalliques, étudiées depuis les années 1970. Les électrodes métalliques, notamment celles en lithium, présentent des avantages considérables grâce à leur potentiel électropositif (−3,04 V vs. SHE) et leur grande capacité spécifique (3860 mA h g⁻¹). Cependant, les anodes métalliques solides rencontrent des problèmes tels que la génération de dendrites, de grandes variations de volume et la dégradation continue de l'électrolyte, ce qui compromet la sécurité et la durée de vie du cycle. En raison des limitations des chimies solides-solides, les chercheurs explorent désormais les systèmes liquides-liquides comme solution de remplacement.

En comparaison avec les systèmes solides, les systèmes liquides offrent de nombreux avantages, tels que des rendements en tension plus élevés, une cinétique accélérée aux interfaces liquide-liquide, une résistance à la déformation microstructurale et à la croissance de dendrites, la possibilité de créer des composants de stockage d'énergie flexibles, et un coût plus faible en raison de la disponibilité de matériaux actifs bon marché. Les batteries à métal liquide (LMB) sont ainsi devenues une technologie prometteuse pour des applications de stockage d'énergie à grande échelle, comme celles utilisées pour le réseau électrique.

L’idée des batteries à métal liquide a vu le jour en 1886 avec l’électrolyse de l’aluminium, mais c’est au tournant du XXe siècle que des avancées majeures ont été réalisées, telles que la cellule Hoopes à trois couches liquides, permettant la synthèse d’aluminium de haute pureté. Dans les années 1960, les cellules à trois couches liquides ont été réintroduites comme cellules bimétalliques régénérantes thermiquement et ont fait l’objet de nombreuses études avant d’être supplantées par des batteries à haute densité énergétique. Cependant, au début du XXIe siècle, les LMB ont de nouveau attiré l’attention en raison de l’intérêt croissant pour le stockage d’énergie à l’échelle du réseau, ce qui a conduit à des recherches plus approfondies.

Les premières versions des LMB utilisaient des électrolytes fondus (comme les halogénures) et des électrodes métalliques liquides à point de fusion élevé. Cependant, les différences de densité et l’immiscibilité mutuelle des matériaux entraînaient la séparation naturelle des couches, ce qui réduisait leur applicabilité pratique en raison des températures de fonctionnement élevées nécessaires pour maintenir l’état liquide des électrodes. Pour pallier ces limitations, des matériaux fondus à basse température, comme les alliages de Ga, Ga-basés et Na-K, ont été utilisés dans des tentatives récentes pour réduire les températures de fonctionnement des LMB. Ces alliages fondus restent liquides à des températures proches de celles ambiantes (0–40°C), offrant ainsi une alternative prometteuse avec des métaux liquides à potentiel modéré et des caractéristiques de sécurité attractives.

Par exemple, les anodes en Ga dans les batteries LiB montrent un changement de phase de liquide à solide puis à liquide au cours des cycles de charge et décharge, ce qui illustre leur potentiel dans des systèmes de stockage d’énergie avancés. Toutefois, bien que ces alliages présentent des avantages en termes de stockage des porteurs de charge, la réactivité inhérente des métaux liquides avec les électrolytes rend difficile l’obtention de tensions de cellule élevées et d’une réversibilité électrochimique suffisante dans les LMB à température ambiante.

Ces obstacles peuvent être surmontés en comprenant mieux les processus multiphysiques complexes qui se déroulent dans les LMB, y compris la distribution du potentiel électrique, le flux électrovortex, la convection thermique, le transport de masse et le transfert de chaleur. Des progrès dans la chimie des batteries sont nécessaires, mais également dans la modélisation de ces systèmes, qui doit connecter les principes électrochimiques et thermophysiques afin d’optimiser la conception des cellules et d’améliorer les performances des LMB. Bien que la recherche sur les batteries à métal liquide à haute température ait bien avancé, il reste encore beaucoup de travail pour que les avancées théoriques en chimie correspondent aux besoins des applications réelles.

Les batteries à métal liquide sont composées de trois couches : une anode en métal fondu, un électrolyte salin fondu et une cathode en métal fondu. Cette architecture simple repose sur la stratification stable des couches, rendue possible par l’immiscibilité de ces matériaux, résultant de leurs différences de densité. Les anodes sont généralement constituées de métaux légers tels que le sodium (Na), le magnésium (Mg) ou le lithium (Li), qui ont une faible densité, une haute capacité énergétique et un faible point de fusion. L’électrolyte, situé entre l’anode et la cathode, est une combinaison de sels (généralement des chlorures, des fluorures ou des bromures), qui assurent une haute stabilité thermique et une bonne conductivité ionique. La cathode liquide, quant à elle, est fabriquée à partir de métaux lourds tels que le plomb (Pb), le bismuth (Bi) ou l’antimoine (Sb), dont les caractéristiques électrochimiques, telles que la compatibilité avec l’électrolyte et l’anode, sont déterminantes dans leur sélection.

Le processus de fonctionnement des LMB est simple mais efficace : le métal de l'anode s'oxyde lors de la décharge, libérant des ions et des électrons. Cette réaction d'oxydation permet à l'anode de libérer ses ions dans l’électrolyte, générant un flux d’électrons qui circulent à travers le circuit extérieur pour alimenter un dispositif électrique. Lors de la charge, l'inverse se produit, les ions migrent vers l’anode et l'électrode se reforme.

Dans les années à venir, des travaux supplémentaires sur la compréhension des interactions complexes entre les matériaux et le design cellulaire permettront probablement de surmonter les défis techniques actuels des batteries à métal liquide et de les rendre viables pour des applications de stockage d’énergie à grande échelle.

Comment les batteries Li-LMB transforment-elles les applications industrielles et la gestion énergétique ?

Les batteries Li-LMB (batteries à métal liquide au lithium) représentent une avancée technologique majeure, offrant des solutions de stockage d’énergie à la fois fiables et durables pour une multitude d'applications industrielles. L'essor de ces technologies est poussé par la demande croissante d’énergie à haute densité, surtout dans des secteurs nécessitant une alimentation constante et stable, tels que la fabrication, le transport et l’exploitation minière. Ces batteries sont particulièrement efficaces pour gérer les cycles de décharge profonds fréquents sans une perte significative de capacité, ce qui assure une performance fiable même dans des conditions extrêmes.

L’un des avantages fondamentaux des Li-LMB réside dans leur capacité à offrir une densité énergétique supérieure, ce qui est essentiel pour soutenir des applications industrielles nécessitant des sorties d'énergie élevées de manière continue. Dans ces industries, la gestion de l’énergie joue un rôle crucial pour la stabilité des processus et la réduction des coûts opérationnels. L’intégration de ces batteries dans des systèmes de stockage d'énergie à grande échelle permet de stabiliser les réseaux énergétiques industriels, en réduisant les risques de fluctuations et en optimisant la distribution de l’énergie, ce qui favorise à la fois l'efficacité et la durabilité.

L'un des aspects particulièrement attrayants des batteries Li-LMB est leur capacité à intégrer les énergies renouvelables dans les systèmes industriels modernes. Alors que les industries cherchent à répondre aux pressions environnementales et à se conformer aux normes de plus en plus strictes en matière de durabilité, ces batteries offrent un moyen efficace de stocker l'énergie excédentaire générée par des sources renouvelables telles que le solaire et l'éolien. En facilitant l’intégration de ces sources d'énergie dans des réseaux complexes, elles aident à stabiliser les systèmes et à réduire la dépendance vis-à-vis des sources d’énergie fossile.

Les Li-LMB se distinguent également par leur longue durée de vie, ce qui les rend idéales pour des installations de grande envergure et des infrastructures industrielles nécessitant une solution de stockage à long terme. Cependant, ce potentiel de durabilité dépend de la gestion des défis techniques inhérents, en particulier ceux liés à la stabilité des matériaux utilisés dans la construction de ces batteries. En raison de la réactivité du lithium, surtout dans son état liquide, les batteries Li-LMB sont susceptibles de subir des réactions indésirables avec l'électrolyte ou les autres composants, ce qui peut altérer leur performance au fil du temps. Les chercheurs travaillent donc sur des matériaux plus stables et résistants afin de prolonger leur durée de vie et leur efficacité, même dans des environnements industriels rigoureux.

Un autre défi majeur réside dans la scalabilité de la production. Si les Li-LMB offrent un potentiel considérable pour le stockage d'énergie à grande échelle, la fabrication de ces batteries à un coût compétitif et en grande quantité reste complexe. La mise à l’échelle des processus de production implique de surmonter plusieurs obstacles, dont la réduction des coûts de production tout en maintenant une haute performance et une sécurité accrue. Les innovations dans les procédés de fabrication, comme l'amélioration de la qualité des matériaux et la conception de batteries avec une architecture plus complexe, permettent de surmonter ces difficultés et de répondre aux exigences des applications industrielles à large échelle.

Dans ce contexte, les Li-LMB suscitent également des préoccupations concernant leur impact environnemental. Bien que ces batteries présentent des avantages indéniables en matière de durabilité, l'extraction du lithium et d’autres matériaux nécessaires à leur fabrication reste une opération coûteuse et parfois polluante. Le recours à des pratiques minières durables et le développement de technologies de recyclage avancées sont essentiels pour limiter l'empreinte écologique de ces batteries. Le recyclage des batteries à base de lithium et la recherche sur des matériaux alternatifs peuvent aider à atténuer les effets négatifs de leur production.

L’avenir des batteries Li-LMB semble prometteur, à condition que ces défis techniques et environnementaux soient surmontés. Les innovations futures dans le domaine des matériaux, des techniques de fabrication et du recyclage permettront à ces batteries de jouer un rôle central dans le stockage de l’énergie et la gestion de l’énergie renouvelable à grande échelle. Dans un monde où la transition énergétique devient une priorité, ces batteries pourraient se révéler être une solution clé pour répondre aux besoins énergétiques croissants tout en minimisant les impacts environnementaux négatifs.

Comment les matériaux auto-cicatrisants et les nanostructures de carbone améliorent l'efficacité des batteries lithium-ion et des batteries à métaux liquides

Les matériaux organiques à structures covalentes (COF) jouent un rôle essentiel dans le développement des anodes métalliques, en réduisant la formation de dendrites. Ces structures peuvent être ingénierées pour se développer sur divers substrats, tels que les collecteurs de courant ou les anodes métalliques, ce qui améliore considérablement les propriétés de dépôt des anodes. En plus de leurs avantages structuraux, les COF présentent une stabilité thermique et électrochimique remarquable, ce qui les rend particulièrement adaptées pour stabiliser les anodes métalliques. En modifiant les propriétés interfaciales des anodes métalliques, les COF améliorent le mouvement des ions, servent de sites de nucléation et minimisent la corrosion. Par conséquent, ces matériaux facilitent le développement d'anodes métalliques sécurisées, stables, durables et résistantes à la formation de dendrites.

Les polymères auto-cicatrisants (SHP) sont une autre stratégie prometteuse pour prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion (LIB). Ces polymères possèdent la capacité d'étirer et de réparer les dommages mécaniques et les fractures au sein de l'électrode, ce qui renforce la stabilité des connexions mécaniques et électriques entre les composants actifs. Une approche complémentaire consiste à utiliser des matériaux liquides auto-cicatrisants pour l'électrode elle-même. Grâce à leur fluidité et à leur tension superficielle, ces matériaux peuvent être chauffés à des températures élevées pour devenir liquides, offrant ainsi des avantages supplémentaires pour l'auto-réparation.

Les nanotubes de carbone (CNT) sont des structures cylindriques à base de carbone avec des diamètres à l'échelle nanométrique et des longueurs atteignant la taille micrométrique. Ces structures présentent un rapport d'aspect supérieur à 1000 et une disposition atomique hexagonale, semblable à celle du graphite. Les CNT se divisent en deux types principaux selon leur structure : les nanotubes à paroi unique (SWCNT) et les nanotubes à paroi multiple (MWCNT). Les SWCNT sont formés en enroulant une seule couche de graphite en forme cylindrique, tandis que les MWCNT sont composés de plusieurs couches concentriques de graphite, créant un ensemble de SWCNT imbriqués.

Les CNT se distinguent par leurs propriétés exceptionnelles, notamment leur activité optique, leur résistance mécanique, leur conductivité électrique et leur stabilité thermique. Parmi ces propriétés, la résistance à la traction des CNT est particulièrement remarquable. Par exemple, Wu et al. ont introduit un anode auto-cicatrisante pour les LIBs en utilisant du métal liquide à température ambiante pour améliorer la durée de vie du cycle de la batterie. Cette étude présente un nouvel alliage de métal liquide, composé de gallium (Ga) et d'étain (Sn), stabilisé dans un cadre de graphène réduit (RGO) et de CNTs. Cet alliage Ga-Sn sert d'anode auto-régénérante pour les LIBs dans des conditions normales de température ambiante.

L'ajout d'étain abaisse le point de fusion du gallium, facilitant ainsi l'auto-réparation à température ambiante. L'étain, avec une capacité spécifique de 993 mA·h·g−1, surpasse celle du gallium (769 mA·h·g−1), ce qui améliore la capacité globale de l'anode. Le cadre RGO/CNT améliore encore la conductivité électrique de l'électrode et empêche l'agglomération ou la séparation des nanoparticules de l'alliage Ga-Sn du collecteur de courant pendant le cyclage. En conséquence, l'anode développée présente une capacité remarquable de 775 mA·h·g−1 à une densité de courant de 200 mA·g−1 et conserve près de 100 % de sa capacité après 4000 cycles. L'alliage Ga-Sn, avec une capacité théorique de 795 mA·h·g−1, dépasse la capacité des anodes en graphite conventionnelles de plus du double. Cet alliage, avec un rapport Ga:Sn de 88:12 en poids, possède un point de fusion de 20°C, inférieur aux points de fusion du Ga et du Sn purs, et en dessous de la température ambiante typique de 25°C. De plus, l'alliage présente des capacités de superrefroidissement notables, restant stable à l'état liquide même à des températures aussi basses que −61°C sous son point de fusion. Ces caractéristiques de stabilité en état liquide en font un matériau idéal pour les applications dans les LIBs.

Le graphène, matériau fondamental de tous les allotropes du carbone, notamment le graphite, les CNT et les fullerènes, a suscité un intérêt considérable dans l'industrie et la recherche académique en raison de ses propriétés exceptionnelles dans de nombreux domaines, tels que la chimie, la mécanique, l'électricité, l'optique et la thermodynamique. Ce matériau à une seule couche d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal a révolutionné les matériaux nanocomposites. La performance des nanocomposites à base de graphène est influencée par plusieurs facteurs, notamment les méthodes de fabrication, le ratio de graphène dans la matrice, la distribution du graphène au sein de la matrice et le type de matériau de graphène utilisé, tel que les nanosheets, les nanorubans ou les copeaux.

Les dérivés du graphène, tels que le graphène oxydé (GO), le graphène réduit (rGO) et le graphène fonctionnalisé, surpassent souvent le graphène pur grâce à leurs propriétés améliorées. Ces dérivés répondent aux défis courants associés au graphène, tels que sa nature hydrophobe, sa tendance à s'agréger et son inclination à se réempiler en nanosheets. La fonctionnalisation des nanocomposites à base de graphène est une stratégie efficace pour adapter les matériaux à des applications spécifiques, stimulant ainsi les progrès rapides de l'utilisation du graphène dans divers secteurs industriels.

La fonctionnalisation covalente du graphène, du GO et du rGO améliore leurs caractéristiques d'adsorption en formant des liaisons covalentes et non covalentes. La fonctionnalisation covalente introduit des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène ou d'autres groupes, tels que des amines, amides, nitro et thiols, tandis que la fonctionnalisation non covalente utilise des interactions plus faibles, telles que les empilements π-π, les forces de Van der Waals et les interactions électrostatiques pour se lier à des ions métalliques, des molécules organiques et des composés organométalliques.

Les nanocomposites à base de graphène, avec leurs multiples phases, suscitent un grand intérêt pour leur capacité à améliorer la stabilité en réduisant l'empilement π-π entre les couches, et en améliorant ainsi la performance globale des matériaux.

Comment les matériaux émergents améliorent les performances des batteries à métaux liquides et des dispositifs de blindage EMI

L'amélioration de la dispersibilité dans l'eau et la réduction de la solubilité du graphène oxydé (GO) sont des stratégies clés pour minimiser les pertes matérielles dans de nombreuses applications. En raison de leurs propriétés exceptionnelles, les dérivés du graphène, tels que les anodes rGO/CNT, ont démontré un grand potentiel dans la production d'anodes pour diverses technologies, y compris celles utilisées dans les batteries à métaux liquides (LMB). De plus, l'introduction de métaux liquides à base de gallium dans ces systèmes pourrait augmenter leur conductivité électrique tout en maintenant leur état liquide à température ambiante. Cependant, un défi majeur reste le compromis entre la performance de blindage électromagnétique (EMI) et l'épaisseur des matériaux, un problème que les composites actuels ne résolvent pas toujours de manière satisfaisante. La recherche s'oriente vers la création de matériaux capables de maintenir un rendement de blindage élevé tout en étant résilients face aux conditions environnementales variables.

Un domaine émergent dans les batteries à métaux liquides est l’utilisation des hydroxydes doubles laminés (LDHs), une classe de minéraux argileux qui possèdent une structure en couches similaires à celle de la brucite. Ces LDHs offrent une architecture hôte-invité où les couches d’hydroxyde, chargées positivement, sont séparées par des anions et des molécules d'eau intercalées. Cette structure unique permet l'intégration de métaux de transition à valence mixte, ouvrant ainsi la voie à des catalyseurs moléculaires et à des nanocatalyseurs de haute performance. Les LDHs peuvent également subir une calcination pour former des oxydes métalliques mixtes, offrant ainsi une surface étendue, propice à des réactions telles que l'évolution de l'oxygène (OER) lors de l'électrolyse de l'eau. Cette réaction, bien que lente sur le plan cinétique, peut être accélérée par l’utilisation de catalyseurs spécifiques, comme les LDHs enrichis en métaux de transition.

Les alliages de calcium (Ca) sont particulièrement prometteurs en tant que cathodes dans les batteries à métaux liquides à haute température (HT-LMBs). Le calcium, élément abondant et peu coûteux, est étudié pour ses applications dans les batteries, particulièrement après l’introduction du concept des LMB. Cependant, les défis rencontrés incluent la nécessité d'opérer à des températures élevées (plus de 842°C) et la forte solubilité du calcium dans les électrolytes fondus. L'alliage du calcium avec des métaux comme le magnésium (Mg) et le bismuth (Bi) a permis de réduire la température de fusion des électrodes à moins de 600°C, facilitant ainsi leur utilisation dans des conditions pratiques. De plus, l'alliage de calcium avec du cuivre (Cu) diminue significativement la solubilité du calcium dans les électrolytes de chlorure de calcium, ce qui réduit l’auto-décharge et améliore l'efficacité Coulombique de la batterie. Parmi les alliages les plus prometteurs pour les batteries à métaux liquides, on trouve les systèmes Ca-Al, Ca-Pb et Ca-Sb. Ce dernier, particulièrement en raison de ses caractéristiques électrochimiques favorables, pourrait ouvrir la voie à des solutions de stockage d’énergie à haute densité, à faible coût et à long cycle de vie.

Les alliages à base de gallium (Ga) représentent également un domaine d’innovation. Bien que le gallium ait une température de fusion relativement basse (30°C), il présente des défis en termes de réactivité et de raréfaction naturelle. Toutefois, sa capacité à être utilisé dans des alliages fondus est cruciale pour le développement de batteries à métaux liquides. Les alliages fondus, bien que principalement étudiés dans le cadre des applications de moulage sous pression et de prototypage rapide, ont montré des propriétés intéressantes dans la conception de dispositifs de stockage d’énergie et de dispositifs de refroidissement pour les réacteurs nucléaires. Parmi les alliages les plus étudiés figurent les alliages à base de mercure, de métal alcalin et ceux à base de gallium et de bismuth, chacun ayant des applications potentielles dans la production d’énergie et la gestion thermique des dispositifs électroniques. La flexibilité de ces alliages permet une évaluation plus large des électrodes métalliques fusibles dans la conception des batteries.

Il est également essentiel de comprendre que la recherche continue sur les alliages métalliques et les composites à base de métaux liquides doit se concentrer sur l'optimisation des matériaux pour assurer une durabilité à long terme et une compatibilité efficace avec les électrolytes utilisés dans les batteries. Les batteries à métaux liquides, notamment celles utilisant des matériaux comme le calcium, le gallium et d'autres alliages métalliques, représentent une avancée technologique majeure dans le domaine du stockage d’énergie à grande échelle. La question fondamentale reste celle de l'optimisation de ces matériaux pour des performances stables et durables, adaptées aux exigences de l’industrie de l’énergie et des technologies de stockage de données à grande échelle.

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