De quoi est faite la batterie du futur ?

Le groupe de recherche de l’Empa dirigé par Maksym Kovalenko étudie des matériaux innovants pour les batteries de demain. Qu’il s’agisse de voitures électriques à recharge rapide ou de stockage stationnaire à faible coût, il existe un matériau prometteur ou un nouveau procédé de fabrication pour chaque application.

Quelles sont les caractéristiques d’une bonne batterie ? Est-ce sa capacité ? À quelle vitesse ça charge? Ou son prix ? La réponse dépend de l’endroit où la batterie est utilisée, explique Kostiantyn Kravchyk, chercheur à l’Empa. Au sein du groupe Matériaux inorganiques fonctionnels, dirigé par Maksym Kovalenko et faisant partie du Laboratoire des couches minces et photovoltaïques de l’Empa, le scientifique développe de nouveaux matériaux pour rendre les batteries de demain plus puissantes et plus rapides, ou plus rentables.

Deux domaines d’application des batteries rechargeables sont cruciaux pour la transition vers les énergies renouvelables. L’un est l’électromobilité ; l’autre est le stockage dit stationnaire, qui stocke l’électricité provenant de sources d’énergie renouvelables telles que le vent et le soleil. Les batteries des voitures électriques doivent être compactes et légères, avoir une capacité élevée et se charger le plus rapidement possible. Les batteries stationnaires peuvent prendre plus de place, mais elles ne sont rentables que si elles sont aussi bon marché que possible.

La recherche a été publiée dans Rapports cellulaires Sciences physiques et Matériaux avancés.

Pas de tâche simple

Essentiellement, chaque batterie se compose d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte. Dans les batteries lithium-ion conventionnelles, l’anode est en graphite et le matériau de la cathode est un oxyde mixte de lithium et d’autres métaux, tels que l’oxyde de lithium-cobalt (III). Les électrolytes sont utilisés comme transmetteurs d’ions lithium de la cathode à l’anode et inversement, selon que la cellule est chargée ou déchargée.

Lorsqu’il s’agit de batteries pour l’électromobilité, une densité énergétique élevée est requise. “Avec une anode constituée de lithium métallique pur au lieu de graphite, nous pourrions stocker beaucoup plus d’énergie dans une cellule de même taille”, explique Kravchyk. Cependant, le lithium n’est pas éliminé ni déposé uniformément lorsque la cellule est chargée et déchargée. Cela entraîne la formation de ce qu’on appelle des dendrites : des structures ramifiées de lithium métallique qui peuvent court-circuiter la batterie.

Une façon de ralentir la croissance des dendrites consiste à utiliser des électrolytes solides. Dans les batteries dites à semi-conducteurs, au lieu d’un liquide, une couche de matériau solide conduit les ions lithium de la cathode à l’anode et inversement.

Les exigences en matière de matériau électrolytique sont élevées. “Les gens parlent de recharger les batteries en dix à quinze minutes”, explique Kravchyk. “Cela nécessite une densité de courant très élevée, à laquelle des dendrites se forment même dans les batteries à semi-conducteurs.”

La densité de courant est le rapport entre le courant et la surface traversée. Un autre problème est que le décapage et le dépôt inégaux du lithium créent des vides à la limite entre l’électrode et l’électrolyte solide, réduisant ainsi la surface de contact disponible et augmentant encore la densité de courant.

Un matériau, deux couches

Dans le cadre du programme Fraunhofer ICON (Coopération internationale et mise en réseau), Kravchyk et d’autres chercheurs de l’Empa ont mis au point un électrolyte solide prometteur. Le matériau, l’oxyde de lithium lanthane et de zirconium, ou LLZO en abrégé, possède une conductivité ionique et une stabilité chimique élevées, des propriétés idéales pour une utilisation dans les batteries.

“Nous avons fabriqué une membrane LLZO bicouche constituée d’une couche dense et d’une couche poreuse”, explique Kravchyk. Si le lithium est stocké dans les pores, une très grande surface de contact est créée entre le lithium et l’électrolyte, et la densité de courant reste faible. La couche dense garantit qu’aucune dendrite ne peut se développer vers l’autre électrode et provoquer un court-circuit.

Les chercheurs ont également réfléchi à la rentabilité : ils ont développé un processus simple, peu coûteux et évolutif pour produire les membranes bicouches.

Du fer bon marché au lieu du coûteux cobalt

Les chercheurs ont adopté une approche très différente dans un projet impliquant le stockage stationnaire d’énergie renouvelable. “La mesure la plus importante pour le stockage stationnaire est le prix”, explique Kravchyk. Les batteries lithium-ion utilisées aujourd’hui pour le stockage stationnaire sont relativement coûteuses. “C’est pourquoi la plupart des besoins en stockage stationnaire sont encore satisfaits par la technologie hydroélectrique de pompage-turbinage, même si sa densité énergétique est très faible par rapport aux batteries”, poursuit le chercheur.

L’un des principaux facteurs de coût des batteries lithium-ion stationnaires réside dans les matériaux utilisés pour leur fabrication. Outre le lithium, le cobalt et le nickel sont nécessaires à la cathode. La recherche de meilleurs matériaux cathodiques a rapidement conduit les chercheurs à découvrir l’un des éléments les plus répandus dans la croûte terrestre : le fer.

Pour leur cathode, les chercheurs ont combiné ce métal peu coûteux avec du fluorure sous forme d’hydroxyfluorure de fer (III). “Les approches précédentes pour fabriquer une batterie à base de fluorures de fer reposaient sur une conversion chimique”, explique Kravchyk. Cela implique la conversion des ions fer en fer métallique. “Ce processus n’est pas très stable”, précise le chercheur. “Idéalement, les ions se déplacent simplement d’un pôle à l’autre sans subir de transformations structurelles majeures.”

C’est un défi pour les chercheurs, car les fluorures ont une mauvaise conductivité, tant pour les électrons que pour les ions lithium. Mais l’équipe de Kravchyk a la solution : grâce à un procédé simple et peu coûteux, ils ont donné à leur hydroxyfluorure de fer (III) une structure cristalline particulière. Cette structure dite pyrochlore contient des canaux à l’intérieur qui conduisent les ions lithium.

“Nous avons pu obtenir des performances comparables à un prix bien inférieur avec notre batterie”, explique Kravchyk. “Nous sommes totalement surpris que pratiquement personne n’ait jusqu’à présent exploré la possibilité de développer la synthèse à faible coût de ce matériau prometteur.”