Une équipe de recherche multi-institutionnelle dirigée par Georgia Tech Chen Hailong a développé une nouvelle cathode à faible coût qui pourrait améliorer radicalement les batteries lithium-ion (LIB) — transformant potentiellement le marché des véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.
« Depuis longtemps, les gens recherchent une alternative moins coûteuse et plus durable aux matériaux cathodiques existants. Je pense que nous en avons une », a déclaré Chen, professeur associé à la George W. École de génie mécanique Woodruff et le École des sciences et de l’ingénierie des matériaux.
Le chlorure de fer (FeCl3), un matériau révolutionnaire, coûte à peine 1 à 2 % des matériaux cathodiques classiques et peut stocker la même quantité d’électricité. Les matériaux cathodiques affectent la capacité, l’énergie et l’efficacité, jouant un rôle majeur dans les performances, la durée de vie et l’accessibilité d’une batterie.
« Notre cathode peut changer la donne », a déclaré Chen, dont l’équipe décrit son travail dans Nature et durabilité« Cela améliorerait considérablement le marché des véhicules électriques, ainsi que l’ensemble du marché des batteries lithium-ion. »
Commercialisées pour la première fois par Sony au début des années 1990, les batteries lithium-ion ont déclenché une explosion dans le domaine de l’électronique personnelle, comme les smartphones et les tablettes. La technologie a fini par s’étendre aux véhicules électriques, fournissant une source d’énergie fiable, rechargeable et à haute densité. Mais contrairement à l’électronique personnelle, les gros consommateurs d’énergie comme les véhicules électriques sont particulièrement sensibles au coût des batteries lithium-ion.
Les batteries représentent actuellement environ 50 % du coût total d’un véhicule électrique, ce qui rend ces voitures à énergie propre plus chères que leurs cousines à combustion interne, émettrices de gaz à effet de serre. L’invention de l’équipe Chen pourrait changer la donne.
Construire une meilleure batterie
Par rapport aux anciennes batteries alcalines et au plomb-acide, les LIB stockent plus d’énergie dans un format plus petit et alimentent un appareil plus longtemps entre deux charges. Mais les LIB contiennent des métaux coûteux, notamment des éléments semi-précieux comme le cobalt et le nickel, et leur coût de fabrication est élevé.
Jusqu’à présent, seuls quatre types de cathodes ont été commercialisés avec succès pour les batteries lithium-ion. Celle de Chen serait la cinquième et représenterait une grande avancée dans la technologie des batteries : le développement d’une batterie lithium-ion entièrement solide.
Les batteries lithium-ion conventionnelles utilisent des électrolytes liquides pour transporter les ions lithium afin de stocker et de libérer de l’énergie. Elles ont des limites strictes quant à la quantité d’énergie qu’elles peuvent stocker, et elles peuvent fuir et prendre feu. Mais les batteries lithium-ion à l’état solide utilisent des électrolytes solides, ce qui améliore considérablement l’efficacité et la fiabilité d’une batterie et la rend plus sûre et capable de contenir plus d’énergie. Ces batteries, encore en phase de développement et de test, constitueraient une amélioration considérable.
Alors que les chercheurs et les fabricants du monde entier s’efforcent de rendre la technologie à l’état solide pratique, Chen et ses collaborateurs ont développé une solution abordable et durable. Avec la cathode FeCl3, un électrolyte solide et une anode en lithium métal, le coût de leur système de batterie complet représente 30 à 40 % de celui des LIB actuelles.
« Cela pourrait non seulement rendre les véhicules électriques beaucoup moins chers que les voitures à combustion interne, mais cela fournirait également une nouvelle forme prometteuse de stockage d’énergie à grande échelle, améliorant la résilience du réseau électrique », a déclaré Chen. « De plus, notre cathode améliorerait considérablement la durabilité et la stabilité de la chaîne d’approvisionnement du marché des véhicules électriques. »
Début solide pour une nouvelle découverte
L’intérêt de Chen pour le FeCl3 comme matériau de cathode est né des recherches de son laboratoire sur les matériaux électrolytiques solides. À partir de 2019, son laboratoire a essayé de fabriquer des batteries à l’état solide en utilisant des électrolytes solides à base de chlorure avec des cathodes commerciales traditionnelles à base d’oxyde. Cela n’a pas bien fonctionné : les matériaux de la cathode et de l’électrolyte ne s’entendaient pas.
Les chercheurs ont pensé qu’une cathode à base de chlorure pourrait fournir une meilleure association avec l’électrolyte chlorure pour offrir de meilleures performances de la batterie.
« Nous avons trouvé un candidat (FeCl3) qui mérite d’être essayé, car sa structure cristalline est potentiellement adaptée au stockage et au transport des ions Li, et heureusement, il a fonctionné comme nous l’attendions », a déclaré Chen.
Actuellement, les cathodes les plus utilisées dans les véhicules électriques sont des oxydes et nécessitent une quantité gigantesque de nickel et de cobalt coûteux, des éléments lourds qui peuvent être toxiques et poser un problème environnemental. En revanche, la cathode de l’équipe Chen ne contient que du fer (Fe) et du chlore (Cl), des éléments abondants, abordables et largement utilisés que l’on trouve dans l’acier et le sel de table.
Lors des premiers tests, le FeCl3 s’est révélé aussi performant, voire meilleur, que les autres cathodes, beaucoup plus chères. Par exemple, sa tension de fonctionnement est plus élevée que celle de la cathode LiFePO4 (phosphate de fer lithium, ou LFP), couramment utilisée, qui correspond à la force électrique qu’une batterie fournit lorsqu’elle est connectée à un appareil, similaire à la pression de l’eau d’un tuyau d’arrosage.
« Nous souhaitons rendre les matériaux aussi parfaits que possible en laboratoire et comprendre les mécanismes de fonctionnement sous-jacents », a déclaré Chen. « Mais nous sommes ouverts aux opportunités de développer la technologie et de la pousser vers des applications commerciales. »
CITATION: Zhantao Liu, Jue Liu, Simin Zhao, Sangni Xun, Paul Byaruhanga, Shuo Chen, Yuanzhi Tang, Ting Zhu et Hailong Chen. « Cathode au trichlorure de fer à faible coût pour batteries lithium-ion entièrement solides. » Nature et durabilité.
FINANCEMENT: Fondation nationale des sciences (subventions n° 1706723 et 2108688)
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