L’étude des sels minéraux désordonnés mène à une percée dans le domaine des batteries

Au cours de la dernière décennie, le sel gemme désordonné a été étudié comme un matériau de cathode potentiellement révolutionnaire pour une utilisation dans les batteries lithium-ion et comme une clé pour créer un stockage à faible coût et à haute énergie pour tout, des téléphones portables aux véhicules électriques en passant par le stockage d’énergie renouvelable.

Une nouvelle étude du MIT s’assure que le matériau tient cette promesse.

Dirigée par Ju Li, professeur d’ingénierie nucléaire et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à la Tokyo Electric Power Company, une équipe de chercheurs décrit une nouvelle classe de cathodes de sel gemme partiellement désordonnées, intégrées à des polyanions, appelées spinelles polyanioniques de sel gemme désordonné, ou DRXPS, qui délivrent une densité énergétique élevée à des tensions élevées avec une stabilité de cyclage considérablement améliorée.

« Il existe généralement un compromis dans les matériaux de cathode entre la densité énergétique et la stabilité du cyclage… et avec ce travail, nous visons à repousser les limites en concevant de nouvelles chimies de cathode », explique Yimeng Huang, postdoctorant au Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires et premier auteur d’un article décrivant le travail publié aujourd’hui dans Énergie naturelle.

« Cette famille de matériaux présente une densité énergétique élevée et une bonne stabilité de cyclage car elle intègre deux principaux types de matériaux de cathode, le sel gemme et l’olivine polyanionique, elle présente donc les avantages des deux. »

Il est important de noter, ajoute Li, que la nouvelle famille de matériaux est principalement composée de manganèse, un élément abondant sur terre qui est nettement moins cher que des éléments comme le nickel et le cobalt, qui sont généralement utilisés dans les cathodes actuelles.

« Le manganèse est au moins cinq fois moins cher que le nickel et environ trente fois moins cher que le cobalt », explique Li. « Le manganèse est également l’un des éléments clés pour obtenir des densités énergétiques plus élevées. Le fait que ce matériau soit beaucoup plus abondant sur Terre constitue donc un avantage considérable. »

Une voie possible vers des infrastructures d’énergie renouvelable

Cet avantage sera particulièrement crucial, ont écrit Li et ses co-auteurs, alors que le monde cherche à construire l’infrastructure d’énergie renouvelable nécessaire à un avenir à faible émission de carbone, voire sans carbone.

Les batteries sont un élément particulièrement important de ce tableau, non seulement en raison de leur potentiel de décarbonisation des transports grâce aux voitures, bus et camions électriques, mais aussi parce qu’elles seront essentielles pour résoudre les problèmes d’intermittence de l’énergie éolienne et solaire en stockant l’excès d’énergie, puis en la réinjectant dans le réseau la nuit ou les jours calmes, lorsque la production d’énergie renouvelable diminue.

Étant donné le coût élevé et la rareté relative de matériaux comme le cobalt et le nickel, écrivent-ils, les efforts visant à augmenter rapidement la capacité de stockage électrique entraîneraient probablement des pics de coûts extrêmes et des pénuries de matériaux potentiellement importantes.

« Si nous voulons parvenir à une véritable électrification de la production d’énergie, des transports et plus encore, nous avons besoin de batteries en abondance sur Terre pour stocker l’énergie photovoltaïque et éolienne intermittente », explique Li. « Je pense que c’est l’une des étapes vers ce rêve. »

Ce sentiment est partagé par Gerbrand Ceder, titulaire de la chaire distinguée Samsung en nanosciences et nanotechnologies et professeur de science des matériaux et d’ingénierie à l’Université de Californie à Berkeley.

« Les batteries lithium-ion sont un élément essentiel de la transition vers une énergie propre », explique Ceder. « Leur croissance continue et la baisse de leur prix dépendent du développement de matériaux de cathode peu coûteux et performants fabriqués à partir de matériaux abondants sur terre, comme le montre cet article. »

Surmonter les obstacles liés aux matériaux existants

La nouvelle étude aborde l’un des principaux défis auxquels sont confrontées les cathodes de sel gemme désordonnées : la mobilité de l’oxygène.

Bien que ces matériaux soient reconnus depuis longtemps pour offrir une capacité très élevée (jusqu’à 350 milliampères-heure par gramme) par rapport aux matériaux cathodiques traditionnels, qui ont généralement des capacités comprises entre 190 et 200 milliampères-heure par gramme, ils ne sont pas très stables.

La capacité élevée est due en partie à la redox de l’oxygène, qui est activée lorsque la cathode est chargée à haute tension. Mais lorsque cela se produit, l’oxygène devient mobile, ce qui entraîne des réactions avec l’électrolyte et la dégradation du matériau, le rendant finalement inutilisable après un cycle prolongé.

Pour surmonter ces défis, Huang a ajouté un autre élément, le phosphore, qui agit essentiellement comme une colle, maintenant l’oxygène en place pour atténuer la dégradation.

« L’innovation principale ici, et la théorie derrière la conception, est que Yimeng a ajouté juste la bonne quantité de phosphore, qui a formé ce qu’on appelle des polyanions avec ses atomes d’oxygène voisins, dans une structure de sel gemme déficiente en cations qui peut les fixer », explique Li.

« Cela nous permet d’arrêter le transport de l’oxygène par percolation grâce à la forte liaison covalente entre le phosphore et l’oxygène… ce qui signifie que nous pouvons à la fois utiliser la capacité apportée par l’oxygène, mais également bénéficier d’une bonne stabilité. »

Selon Li, cette capacité à charger des batteries à des tensions plus élevées est cruciale car elle permet à des systèmes plus simples de gérer l’énergie qu’ils stockent.

« On peut dire que la qualité de l’énergie est meilleure », dit-il. « Plus la tension par cellule est élevée, moins il est nécessaire de les connecter en série dans le pack de batteries et plus le système de gestion de la batterie est simple. »

Ouvrir la voie aux études futures

Bien que le matériau de la cathode décrit dans l’étude puisse avoir un impact transformateur sur la technologie des batteries lithium-ion, il existe encore plusieurs pistes d’étude pour l’avenir.

Parmi les domaines d’étude futurs, selon Huang, figurent les efforts visant à explorer de nouvelles façons de fabriquer le matériau, en particulier pour des considérations de morphologie et d’évolutivité.

« Actuellement, nous utilisons le broyage à billes à haute énergie pour la synthèse mécanochimique, et… la morphologie qui en résulte n’est pas uniforme et présente une petite taille moyenne de particules (environ 150 nanomètres). Cette méthode n’est pas non plus tout à fait évolutive », dit-il.

« Nous essayons d’obtenir une morphologie plus uniforme avec des particules de plus grande taille en utilisant des méthodes de synthèse alternatives, ce qui nous permettrait d’augmenter la densité énergétique volumétrique du matériau et pourrait nous permettre d’explorer certaines méthodes de revêtement… qui pourraient encore améliorer les performances de la batterie. Les méthodes futures, bien sûr, devraient être évolutives à l’échelle industrielle. »

De plus, ajoute-t-il, le sel gemme désordonné n’est pas un très bon conducteur en soi, c’est pourquoi des quantités importantes de carbone – jusqu’à 20 % du poids de la pâte cathodique – ont été ajoutées pour améliorer sa conductivité. Si l’équipe parvient à réduire la teneur en carbone de l’électrode sans sacrifier les performances, la teneur en matière active de la batterie sera plus élevée, ce qui entraînera une augmentation de la densité énergétique pratique.

« Dans cet article, nous avons simplement utilisé du Super P, un carbone conducteur classique composé de nanosphères, mais elles ne sont pas très efficaces », explique Huang. « Nous étudions maintenant l’utilisation de nanotubes de carbone, qui pourraient réduire la teneur en carbone à seulement 1 ou 2 % en poids, ce qui pourrait nous permettre d’augmenter considérablement la quantité de matériau cathodique actif. »

Outre la réduction de la teneur en carbone, la fabrication d’électrodes épaisses est un autre moyen d’augmenter la densité énergétique pratique de la batterie, ajoute-t-il. C’est un autre domaine de recherche sur lequel travaille l’équipe.

« Ce n’est que le début des recherches sur le DRXPS, car nous n’avons exploré que quelques chimies dans son vaste espace de composition », poursuit-il. « Nous pouvons jouer avec différents ratios de lithium, de manganèse, de phosphore et d’oxygène, et avec diverses combinaisons d’autres éléments formant des polyanions tels que le bore, le silicium et le soufre. »

Avec des compositions optimisées, des méthodes de synthèse plus évolutives, une meilleure morphologie qui permet des revêtements uniformes, une teneur en carbone plus faible et des électrodes plus épaisses, dit-il, la famille de cathodes DRXPS est très prometteuse dans les applications des véhicules électriques et du stockage sur réseau, et peut-être même dans l’électronique grand public, où la densité énergétique volumétrique est très importante.

Cet article est republié avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.