La gestion thermique des batteries Li-LMB est un aspect crucial pour assurer leur bon fonctionnement à long terme. Ces batteries fonctionnent à des températures élevées, généralement comprises entre 400 et 700 °C. Pour maintenir une telle température sans consommation excessive d'énergie, des matériaux d'isolation, tels que des revêtements en céramique ou en réfractaire, sont utilisés pour entourer les cellules et prévenir la perte de chaleur. Lors du démarrage, des chauffages externes peuvent être utilisés pour amener la batterie à la température de fonctionnement. Une fois en fonctionnement, la chaleur générée par les réactions électrochimiques internes suffit souvent à maintenir la température requise, ce qui réduit la nécessité de chauffage externe. Cependant, des systèmes de refroidissement peuvent être nécessaires, notamment dans les configurations multi-cellulaires, où une accumulation de chaleur peut se produire. Les conceptions avancées de gestion thermique incluent des tuyaux thermiques, des boucles de refroidissement liquide ou des matériaux à changement de phase capables d'absorber la chaleur excédentaire et de la distribuer uniformément dans la batterie.

L'intégrité structurelle des Li-LMBs est également essentielle. Les composants internes et externes doivent résister à la corrosion, aux cycles thermiques et aux contraintes mécaniques. Le choix des matériaux est donc crucial : l’acier inoxydable, les alliages de nickel ou les métaux réfractaires sont souvent utilisés pour l'enveloppe extérieure, tandis que des céramiques ou du verre sont employés pour les revêtements internes afin d'éviter la corrosion causée par les sels fondus. La stabilité mécanique est également un facteur déterminant, les matériaux devant supporter l’expansion thermique et la contraction pendant le démarrage, l’arrêt et le cycle sans se fissurer. Pour les batteries à grande échelle, la conception doit prendre en compte le poids et la distribution des matériaux fondus afin d'éviter toute défaillance mécanique.

La sécurité constitue une priorité majeure dans la conception des Li-LMBs, notamment en raison des températures de fonctionnement élevées et de l’utilisation de matériaux réactifs. Il est essentiel de mettre en place des mécanismes de sécurité pour prévenir les échecs pouvant entraîner des fuites, des incendies ou des explosions. Parmi les caractéristiques de sécurité clés, on trouve des systèmes de scellement robustes pour éviter l’échappement de matériaux fondus et de gaz, des soupapes de décompression pour éviter les accumulations de pression dangereuses, et des systèmes d'arrêt automatiques capables de détecter et de réagir à une surchauffe ou à d’autres défaillances. Dans les systèmes multi-cellulaires, des dispositifs de sécurité sont conçus pour isoler les cellules en cas de dysfonctionnement, afin d’éviter une défaillance en chaîne susceptible de compromettre l’ensemble de la batterie. Ces conceptions peuvent inclure des barrières thermiques entre les cellules, des systèmes de refroidissement redondants, ainsi qu'une surveillance active de la température, de la pression et des performances des cellules.

Les Li-LMBs se distinguent par leur performance exceptionnelle et leurs métriques d’efficacité, des caractéristiques essentielles pour une grande variété d'applications de stockage d'énergie. Ces batteries présentent une densité énergétique, une densité de puissance, une efficacité coulombique et une longue durée de vie des cycles remarquables, ce qui les rend particulièrement adaptées au stockage à l'échelle du réseau ainsi qu’aux applications industrielles à forte demande. La densité énergétique, en particulier, est l'un des critères les plus importants pour toute technologie de batterie, car elle fait référence à la quantité d'énergie stockée par unité de volume ou de masse. Les Li-LMBs offrent une densité énergétique élevée, surpassant souvent des technologies de batteries plus traditionnelles, telles que celles au plomb-acide ou au nickel-cadmium. Cela est principalement dû aux propriétés inhérentes du lithium, qui est l'un des éléments les plus légers et les plus électropositifs, permettant ainsi de stocker une quantité d'énergie considérable dans un volume relativement réduit.

En termes de densité gravimétrique, ces batteries peuvent atteindre des valeurs comprises entre 200 et 400 Wh/kg, tandis que la densité volumétrique varie entre 500 et 900 Wh/L. Un autre facteur clé de performance est la densité de puissance, qui désigne la vitesse à laquelle l'énergie peut être délivrée par la batterie. Les Li-LMBs affichent des densités de puissance remarquables, atteignant jusqu'à 200 W/cm², bien au-delà des batteries lithium-ion traditionnelles qui varient généralement entre 10 et 20 W/cm². Cette densité de puissance exceptionnelle est liée à la conception unique de la batterie, avec des électrodes liquides qui fonctionnent à des températures élevées, facilitant un transport rapide des ions et une faible résistance interne. Les cycles de charge et décharge rapides, rendus possibles par l'état liquide des électrodes, améliorent encore cette densité de puissance, ce qui rend ces batteries particulièrement efficaces pour des applications nécessitant une livraison rapide d'énergie.

L'efficacité coulombique, ou l'efficacité de charge/décharge, mesure le rapport entre la charge extraite d'une batterie et la charge injectée durant un cycle. Les Li-LMBs présentent une efficacité coulombique élevée, souvent supérieure à 90%. Certaines études ont même montré que ces batteries pouvaient maintenir une efficacité coulombique de plus de 97,1% après 1000 heures d'opération. Cette grande efficacité est cruciale pour des applications où les pertes d'énergie doivent être minimisées, comme dans les systèmes de stockage d'énergie de longue durée et l'intégration des énergies renouvelables.

Enfin, la durée de vie en cycles fait référence au nombre de cycles de charge-décharge qu'une batterie peut supporter avant que sa capacité ne se dégrade à un niveau spécifié, généralement 80% de sa capacité initiale. Les Li-LMBs sont conçues pour une longue durée de vie en cycles, un avantage considérable par rapport à d’autres technologies de batteries qui peuvent se dégrader plus rapidement après des cycles répétitifs. Cette durabilité est un atout majeur pour le stockage d'énergie à l’échelle du réseau, où les batteries doivent fonctionner de manière fiable pendant de nombreuses années. En outre, cette longévité réduit la nécessité de remplacements fréquents, ce qui diminue le coût total de possession et améliore la durabilité des systèmes de stockage d'énergie.

Les batteries à métal liquide basées sur des électrodes de métaux de transition : Perspectives et défis technologiques

Le passage rapide vers une économie à faibles émissions de carbone a entraîné un changement considérable dans la consommation mondiale d'énergie, accélérant la transition des combustibles fossiles vers des sources d'énergie renouvelables et durables. Toutefois, malgré cette évolution, il existe encore des limitations importantes en matière de stockage d’énergie à grande échelle. Les systèmes de stockage d'énergie électrochimique (ESS) sont l’une des solutions les plus prometteuses, mais ils sont confrontés à des défis de coûts, de sécurité et de durabilité.

Actuellement, les batteries au plomb et les batteries lithium-ion (LIBs) dominent le marché de l'ESS. Bien que les batteries au plomb soient fréquemment utilisées dans les microgrids et les applications de petite échelle, elles souffrent d’une faible densité énergétique et d’un vieillissement rapide. Les batteries lithium-ion, quant à elles, sont largement utilisées pour les ESS à grande échelle, mais leur dangerosité liée à l'électrolyte inflammable et la volatilité du lithium font d’elles une solution préoccupante. De plus, le coût élevé du lithium, associé à sa disponibilité limitée, accentue la nécessité de rechercher des technologies alternatives à base de matériaux plus abondants.

Les batteries à métal liquide (LMBs) émergent comme une alternative viable pour le stockage d'énergie à grande échelle. Ces batteries reposent sur des électrodes métalliques liquides et des électrolytes fondus, ce qui leur confère plusieurs avantages par rapport aux technologies classiques. Leur structure entièrement liquide permet des coûts de production réduits, une longévité accrue et une cinétique de réaction plus rapide. Le fonctionnement des LMBs se distingue par la formation de trois couches distinctes : une anode de faible densité, un électrolyte de densité moyenne et une cathode de haute densité. Les températures de fonctionnement des LMBs varient entre 275 et 700 °C, ce qui est relativement élevé par rapport aux batteries classiques, mais adapté à la structure de ces batteries. Ces températures sont directement liées à la sélection des matériaux des électrodes et des électrolytes, et à des facteurs tels que la solubilité des électrodes, leur mouillabilité et la densité énergétique.

Les LMBs peuvent être classées en trois catégories selon leur température de fonctionnement : les LMBs haute température (HTLMBs) qui fonctionnent à des températures supérieures à 350 °C, les LMBs à température moyenne (MTLMBs) qui fonctionnent entre 100 et 350 °C, et les LMBs à température ambiante (RTLMBs) qui fonctionnent autour de la température ambiante. Chaque type de batterie présente des avantages spécifiques en termes de performances et de stabilité des matériaux, mais tous nécessitent des électrolytes à faible point de fusion et haute conductivité ionique pour éviter les courts-circuits et optimiser l'efficacité énergétique.

Les électrodes à base de tellure, d'antimoine, de tin, ou de métaux similaires ont suscité un intérêt croissant dans les recherches sur les LMBs. Par exemple, les électrodes à base de tellure ont montré des mécanismes de décharge multi-étapes prometteurs pour les batteries à haute densité énergétique. Ces mécanismes permettent une meilleure gestion de l’énergie et une augmentation de la durée de vie du dispositif. Les alliages de tellure et de plomb, en particulier, offrent une stabilité améliorée et des performances accrues par rapport à d'autres matériaux utilisés dans les batteries classiques.

Les défis technologiques auxquels sont confrontées les LMBs, en particulier celles à base de sodium et de lithium, concernent principalement la formation de dendrites métalliques, un phénomène qui limite la durée de vie et la sécurité des batteries. L’une des approches innovantes pour surmonter ce problème est l’alliage de tellure avec des métaux comme le lithium ou le sodium. L’alliage forme une structure protectrice qui empêche l’écaillage du matériau, ce qui augmente la stabilité et prolonge la durée de vie de la batterie.

Outre les avantages évidents des LMBs, plusieurs domaines nécessitent encore des améliorations pour permettre une adoption plus large de ces technologies. La recherche doit se concentrer sur la réduction des températures de fonctionnement des LMBs, l'amélioration des performances des électrodes et la gestion des processus électrochimiques complexes qui se produisent à l'intérieur des cellules. Une meilleure compréhension des interactions électrochimiques permettra de concevoir des modèles plus efficaces pour optimiser la conception des cellules et les conditions de fonctionnement.

Le potentiel des batteries à métal liquide dépasse largement celui des technologies existantes en matière de stockage d’énergie, mais pour réussir leur mise en œuvre à grande échelle, des efforts significatifs sont nécessaires pour résoudre les défis de coût, de performance et de fiabilité. Le choix des matériaux et le développement de nouvelles configurations pour les électrodes sont essentiels pour maximiser les performances des LMBs, notamment en matière de densité énergétique, de cycle de vie et de sécurité.

Quelle est l'optimisation des électrolytes et des alliages pour les batteries métalliques à température moyenne ?

Les batteries métalliques liquides (LMB) à haute température (HT-LMB), utilisant des alliages de plomb-antimoine (Pb-Sb), sont reconnues pour leur excellente performance à des températures plus basses. Cependant, les préoccupations environnementales liées à l’utilisation d'alliages à base de plomb ont entraîné le développement d'options plus écologiques, telles que les alliages Sb-Sn et Sb-Bi-Sn. Bien que ces alliages améliorent les points de fusion et la solubilité, ils peuvent diminuer la densité énergétique et compliquer la cinétique de transfert des ions Li+ en raison de la formation de couches inter-métalliques multiples. L’approche des alliages eutectiques permet de réduire efficacement les points de fusion et la solubilité des électrodes dans les électrolytes, mais équilibrer la réduction de la température de fonctionnement tout en maintenant une production d'énergie stable reste un défi majeur.

Les électrolytes fondus de halogénures sont couramment utilisés dans les HT-LMB en raison de leur haute conductivité ionique, de leur rentabilité et de leur sécurité. Ces électrolytes favorisent des cinétiques de transfert de charge rapides à travers des interfaces liquides, mais ils rencontrent des problèmes tels que la formation d'ions subvalents à des températures élevées, ce qui entraîne des taux d'auto-décharge élevés et une réduction de l'efficacité énergétique. Des stratégies d'alliage peuvent aider à supprimer la solubilité des métaux dans les sels fondus et à abaisser le point de fusion de l’électrolyte, comme c’est le cas avec les systèmes LiCl-CaCl2. Afin d'éviter les problèmes liés aux électrolytes liquides, des électrolytes solides comme l’alumine beta-Na (Na-BASE) ont été explorés. Ces électrolytes solides présentent une interface moins réactive, mais rencontrent des défis liés à la mouillabilité réduite et à la stabilité mécanique à des températures plus basses. Des techniques telles que l’alliage, le dopage et l’ajout de pièges à oxygène ont été utilisées pour améliorer les performances, bien que le coût et la stabilité des matériaux demeurent des préoccupations. Des stratégies alternatives incluent l’utilisation d'électrolytes à base de potassium, qui montrent un potentiel prometteur en raison du point de fusion plus bas du potassium et de son abondance, bien que les recherches dans ce domaine en soient encore à leurs débuts. Dans l’ensemble, l'optimisation de l'équilibre entre la température de fonctionnement et la conductivité ionique est cruciale pour le développement des HT-LMB.

Les batteries métalliques à température moyenne (MT-LMB) se sont fait connaître par leur capacité à fonctionner à des températures plus basses, notamment grâce au développement d'électrolytes solides. La température de fonctionnement des HT-LMB est principalement limitée par les points de fusion élevés des électrolytes de sels fondus, tandis que les électrodes métalliques ou alliées, comme le Li, le Na, les alliages Sn-Pb et Si-Pb, ont généralement des points de fusion plus faibles. Pour surmonter ce défi, des électrolytes solides ont émergé comme une solution prometteuse. Dans ce contexte, les points de fusion des électrodes métalliques jouent un rôle clé dans la définition de la température de fonctionnement des LMB. Les batteries à base de sodium fonctionnant à température moyenne, avec des électrolytes solides, ont été démontrées dans des systèmes comme Na||S et ZEBRA, qui ont fait l’objet de recherches approfondies au fil des années. Plus récemment, les batteries à base de lithium ont attiré l'attention en tant que candidate pour des applications de stockage d'énergie à grande échelle.

Le développement des électrolytes solides au fil des années a donné un nouvel élan aux batteries à base de lithium, en éliminant les électrolytes à base de sels fondus de lithium, de manière similaire aux progrès observés dans les batteries Na||S. Par exemple, l’utilisation d’un électrolyte céramique de type grenat Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO) a permis de développer avec succès des cellules Li||LLZTO||Sn-Pb et Li||LLZTO||Bi-Pb, capables d’un cyclage stable à 240°C. Ces cellules offrent une capacité volumétrique élevée de 896 mAh.cm−3 avec une dégradation minimale de la capacité sur 30 cycles. Un test de perforation a révélé que la température de surface n'augmentait que de 80°C, indiquant une marge de sécurité significative. Les densités théoriques d'énergie volumétrique pour les cellules Li||LLZTO||Sn-Pb et Li||LLZTO||Bi-Pb sont respectivement de 570 Wh.L−1 et 940 Wh.L−1, les rendant des candidats solides pour des applications de stockage d'énergie à grande échelle (GSES). En 2020, de nouvelles batteries à base de lithium Li||S et Li||Se ont été introduites, utilisant l’électrolyte céramique LLZTO. Fonctionnant à 240°C et 300°C, ces batteries ont atteint une efficacité Coulombique stable de 99,99%, avec une densité de puissance de 180 mW.cm−2 et une efficacité énergétique supérieure à 80%. La cellule Li||LLZTO||S a maintenu sa stabilité sur 50 cycles et ses performances pouvaient être améliorées davantage par un meilleur scellement pour éviter la perte de vapeur de soufre.

En plus du sodium et du lithium, le potassium est également utilisé dans les batteries MT-LMB. Lu et al. ont conçu une nouvelle batterie K||S utilisant un électrolyte solide conducteur de potassium (BASE) constitué de 91 % en poids de K-β”-Al2O3, de 8,4 % de K-β-Al2O3 et de 0,6 % de ZrO2. Ce BASE est efficacement mouillé par le potassium fondu à 150°C et reste compatible avec K sans se fissurer. Avec une catholyte à base de tétraglyme contenant des polysulfures et des sels de K, la batterie K||S a montré une dégradation minimale de la capacité sur 1000 cycles à 150°C. Une étude Raman in-situ a révélé les réactions de décharge de K2S5 vers K2S4, K2S3 et K2S2. Cependant, la capacité est bien plus faible que celle des batteries Na||S. La batterie K||S atteint une densité énergétique similaire grâce à une tension de décharge plus élevée. Après une légère augmentation de la capacité au cours des 70 premiers cycles, la cellule K||S a montré des performances stables sur 1000 cycles avec une dégradation minimale.

Dans les batteries Na||S, développées pour la première fois par Ford en 1967, le sodium fondu sert d’électrode négative et le soufre fondu d’électrode positive, avec un électrolyte solide en β-Al2O3. Ce système présente plusieurs avantages tels qu'une densité énergétique gravimétrique élevée (~760 Wh.kg−1), une excellente efficacité Coulombique et des matériaux peu coûteux. Cependant, il nécessite des températures de fonctionnement élevées, entre 300 et 350°C, pour atteindre une conductivité ionique suffisante et maintenir une bonne mouillabilité entre le sodium fondu et l’électrolyte, ce qui pose des défis de sécurité en raison des polysulfures de sodium corrosifs (par exemple Na2S4) qui dégradent les composants et augmentent le risque de dangers thermiques.

Les efforts visant à réduire la température de fonctionnement ont conduit au développement de batteries Na||S fonctionnant à environ 150°C, utilisant une membrane dense en β”-Al2O3 comme séparateur et du tétraglyme comme solvant pour la catholyte. Cette approche a montré des performances prometteuses, notamment grâce à la haute solubilité de Na2S4 dans le tétraglyme, bien que des problèmes tels qu’une mauvaise mouillabilité du sodium fondu sur la membrane céramique demeurent. Récemment, Wang et al. ont introduit une batterie Na||S fonctionnant également à 150°C, utilisant un séparateur céramique BASE combiné avec un liquide ionique inorganique innovant. Ce système a montré une conductivité ionique élevée, une meilleure stabilité thermique et une capacité réversible de 795 mAh.g−1 avec une stabilité de cyclage à long terme, dépassant les 1000 cycles à un courant de 0,1 mA.

Quel est l'avenir des matériaux semi-conducteurs 2D dans les dispositifs électroniques et photoniques ?
Qu'est-ce qui caractérise le Rust Belt et comment cela influence-t-il la politique et la société américaines ?
Comment la gestion chaotique de la Maison Blanche a façonné l'administration Trump : Le rôle des acteurs clés