Les batteries lithium-oxygène (Li-O2) pourraient en théorie bénéficier d'une densité massique d'énergie stockée vingt fois plus élevée que celle des batteries Li-ion : 3500 Wh/kg. Pour que Li-O2 devienne une alternative sérieuse au Li-ion, il reste de nombreux verrous à lever, parmi lesquels la perte rapide de performance après seulement quelques cycles de charge-décharge.
Au cours de la décharge d'une batterie Li-O2, les ions Li+ issus de l'anode en lithium métal forment avec O2 du peroxyde de lithium (Li2O2) à la cathode en carbone poreux. De manière réversible, quand la batterie est en charge, ce Li2O2 libère des ions Li+ dans l'électrolyte et O2.
Cette cathode « à air » est ainsi le siège de la réduction de l'oxygène de l'air au cours de la décharge et d'un dégagement d'oxygène au cours de la charge et doit, de plus, stocker le Li2O2 insoluble. Ces trois points sont essentiels pour les performances de la batterie, ce qui explique la recherche active de matériaux pour cette cathode.
Les solides hybrides Metal-Organic Framework (MOF) semblent de bons candidats en raison de leur forte porosité et de leur grande surface spécifique. Ils sont constitués d'assemblages de briques inorganiques métalliques, reliées entre elles par des ligands organiques, via des liaisons de coordination fortes, formant ainsi des réseaux cristallins multidimensionnels. Certains d'entre eux (dits flexibles) voient leur structure « respirer » à la suite d'une variation de température ou de l'adsorption de molécules hôtes.
Des chercheurs de l'Iramis ont étudié les propriétés électrochimiques d'un MOF flexible – MIL-53 (Matériaux de l′Institut Lavoisier) à l'aluminium – synthétisé selon deux méthodes conduisant à des morphologies de matériau différentes.
Les tests électrochimiques réalisés avec des électrodes de MIL-53 montrent les mêmes performances quelle que soit la méthode de synthèse, hydrothermale ou microonde.
Selon la valeur de la capacité de la première charge, différents scénarios se dessinent :
- pour une valeur élevée, les capacités de charge suivantes chutent rapidement,
- pour une valeur modérée, la capacité de décharge est équivalente à celle de charge, ce qui montre que la réduction de l'oxygène a pu avoir lieu,
- pour une très faible valeur, la capacité de la 2e charge est élevée, la réduction de l'oxygène et la décomposition de Li2O2 se mettent en place.
Les études ex situ de diffusion de rayons X, microscopie électronique à balayage ou spectrométrie photo-électronique X ont été réalisées sur la cellule démontée après un cycle de décharge, puis dix. Elles confirment que le produit de décharge formé (Li2O2) est bien encapsulé dans les pores du solide MIL-53, ce qui démontre la capacité de stockage de ce matériau. Dans tous les cas, le nombre de cycles de charge-décharge à pleine capacité reste cependant encore très limité.
Ces travaux se poursuivent par l'étude de MOF avec d'autres centres métalliques (fer, vanadium) pour améliorer ce dernier point.
Ils ont été réalisés en collaboration avec l'École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (ESPCI).