Une collaboration multi-institutionnelle dirigée par l’Université Tongji a identifié les facteurs clés régissant l’évolution de l’oxygène dans les batteries lithium-oxygène non aqueuses à base de LiOH, et a démontré qu’une approche systématique de la conception des catalyseurs, des électrolytes et des collecteurs de courant peut améliorer la récupération d’oxygène de près de zéro à environ 75 %.
L’étude, publiée dans Nature Communications, aborde l’un des défis fondamentaux qui freinent la technologie des batteries lithium-air. Les cellules Li-O2 à base de LiOH offrent une densité énergétique théorique de 3 707 Wh/kg, plusieurs fois supérieure à celle des batteries lithium-ion conventionnelles, et sont intrinsèquement plus tolérantes à l’humidité et au CO2 que la chimie alternative Li2O2. Mais jusqu’à présent, leur réversibilité était médiocre, avec une récupération d’oxygène presque nulle lors de la charge.
Ce qu’ils ont découvert
L’équipe, dirigée par Tao Liu à l’Université Tongji, a systématiquement analysé la chimie parasite qui dégrade les cellules à base de LiOH. Ils ont identifié les radicaux hydroxyle liés à la surface (OH) comme les principales espèces réactives de l’oxygène, contrairement aux cellules à base de Li2O2, où l’oxygène singulet (1O2) est le principal responsable. Comme OH est lié à la surface plutôt qu’en solution, sa réactivité peut être modulée par l’ingénierie de surface du catalyseur.
Les radicaux hydroxyle attaquent à la fois l’électrolyte et le support carboné. En utilisant du carbone marqué au 13C, l’équipe a attribué 65 % du CO2 dégagé à la corrosion du carbone, la décomposition de l’électrolyte représentant les 35 % restants. La corrosion du carbone commence à seulement 3,5 V, bien dans la plage de tension de charge.
Optimisation à trois volets
L’équipe a développé trois stratégies complémentaires :
Premièrement, un catalyseur à hydroxyde double lamellaire Fe-Co-Ni (FeCoNi LDH) qui lie fortement OH, l’orientant vers une évolution productive de l’oxygène plutôt que vers des réactions secondaires. L’analyse de charge de Bader a montré que OH sur les sites actifs du fer présente un transfert de charge plus élevé que sur le ruthénium, le rendant moins réactif et moins agressif.
Deuxièmement, un électrolyte à base de sulfolane avec une résistance supérieure à l’attaque électrophile de *OH, confirmée par des calculs de théorie fonctionnelle de la densité des indices de Fukui, surpassant les éthers conventionnels, le DMSO et le DMA.
Troisièmement, un collecteur de courant en or qui élimine complètement la voie de corrosion du carbone à des tensions supérieures à 3,5 V, supprimant la principale source d’irréversibilité.
Combinées, ces stratégies ont amélioré la récupération d’oxygène à environ 75 %, contre une valeur de référence proche de zéro. Le produit de décharge a été confirmé comme étant du LiOH par diffraction des rayons X in situ, sans oxygène singulet détectable.
Un paradoxe révélé
Les travaux révèlent une idée contre-intuitive : un surpotentiel plus élevé peut en fait orienter OH vers une évolution productive de l’oxygène plutôt que vers des réactions parasites. Le simple fait d’abaisser la tension de charge, un objectif d’optimisation typique, est insuffisant si cela rend OH plus réactif envers l’électrolyte.
L’étude fournit des principes de conception rationnels pour les futures batteries lithium-air à base de LiOH : des solvants résistants à l’oxydation, des catalyseurs liant fortement *OH et des collecteurs de courant non carbonacés. Si elle est mise à l’échelle, la chimie de l’oxygène à 4 électrons pourrait éventuellement permettre des batteries lithium-air pratiques en milieu ouvert, éliminant le besoin de bouteilles d’oxygène et de systèmes de purification des gaz.
Sources :
1. Tang L, Lu Z, Gao Z, Lou X, Li J, Wen Y, Chen J, Zhu Z, Luo S, Zhou L, Wei G, Chen Z, Zhao H, Li T, Peng L, Li F, Liu T. “Unravelling the key factors governing O2 evolution upon charging a reversible LiOH-based nonaqueous Li||O2 battery.” Nature Communications. 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-75284-2
Traduit par Lydie