Des chercheurs du MIT testent un matériau prometteur appelé TAQ en tant qu’alternative au cobalt à base de carbone pour les batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques.
Les véhicules électriques (VE) sont un moyen important et de plus en plus populaire de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, les batteries qui les alimentent sont souvent loin d’être respectueuses de l’environnement, principalement en raison de leurs matériaux. En particulier, le cobalt entrave considérablement la durabilité des VE, mais les chercheurs pourraient avoir trouvé une solution.
Minerai de cobalt. Image utilisée avec l’aimable autorisation du Department of Natural Resources du Missouri
Une équipe du MIT a récemment mis au point un matériau alternatif appelé TAQ qui offre une conductivité et une efficacité de stockage comparables à celles du cobalt. Leur découverte est l’une des nombreuses contributions visant à trouver un remplacement viable pour le cobalt.
Le problème avec le cobalt dans les batteries lithium-ion
La plupart des véhicules électriques et des appareils électroniques rechargeables utilisent des batteries lithium-ion (Li-ion). Beaucoup utilisent des cathodes en cobalt car la densité d’énergie du cobalt et sa stabilité relative en font un matériau idéal pour les batteries rechargeables.
Malheureusement, l’exploitation du cobalt est destructrice pour l’environnement. Les opérations minières reposent généralement sur du matériel alimenté par des combustibles fossiles, ce qui entraîne des émissions considérables. Les chercheurs ont également trouvé des niveaux élevés de radioactivité dans les zones d’exploitation minière du cobalt, car beaucoup d’entre elles contiennent des quantités significatives d’uranium. Les techniques conventionnelles laissent également échapper des produits chimiques dangereux dans l’environnement environnant, mettant en danger la santé publique et la biodiversité de la région.
Mine de cuivre-cobalt. Image utilisée avec l’aimable autorisation de l’U.S. Geological Survey
La rareté du cobalt soulève également d’autres préoccupations. Bien que ce ne soit pas nécessairement un métal rare, il n’est pas abondant et plus de la moitié de l’offre mondiale se trouve en République démocratique du Congo (RDC). Cette concentration de l’offre le rend vulnérable à la volatilité des prix, ce qui rend difficile pour les ingénieurs de produire des technologies abordables avec ce métal.
Enfin, l’exploitation du cobalt entraîne un coût social élevé. Les rapports sur le travail des enfants, les conditions de travail dangereuses et d’autres problèmes liés aux droits de l’homme sont courants dans les mines de cobalt en RDC. Si les ingénieurs continuent de s’appuyer sur ce métal, cela pourrait aggraver ces mauvais traitements.
Les récentes percées des batteries sans cobalt
Étant donné ces inconvénients, les chercheurs ont cherché des moyens de développer des batteries lithium sans cobalt. Plusieurs récentes percées montrent des résultats prometteurs.
Au MIT, les chercheurs ont développé une batterie utilisant un matériau à base de carbone appelé bis-tétraaminobenzoquinone, ou TAQ. Le TAQ est composé de molécules avec trois anneaux hexagonaux fusionnés. Sa structure est similaire au graphène et permet aux couches de s’étendre dans toutes les directions pour créer des liaisons hydrogène stables. Le TAQ ne se dissout pas dans l’électrolyte comme le font certains matériaux organiques.
Structure du TAQ. Image utilisée avec l’aimable autorisation des auteurs
Cette alternative présente une densité d’énergie supérieure à celle de la plupart des cathodes en cobalt et a pu passer en toute sécurité plus de 2000 cycles de charge. Plus important encore, le TAQ est abondant et ne présente pas les mêmes complications liées à l’exploitation minière que le cobalt.
La densité d’énergie et la stabilité signifient que les batteries au lithium à base de TAQ peuvent mieux fonctionner que les alternatives au cobalt dans des applications réelles. Les ingénieurs pourraient développer des systèmes de charge plus rapides et plus durables pour les VE en utilisant cette technologie, ce qui favoriserait une transition plus rapide vers les transports électrifiés. Cela pourrait également permettre la conception d’appareils électroniques plus abordables, étant donné la réduction de la volatilité des prix des matériaux.
D’autres chercheurs se sont concentrés sur des alternatives au phosphate de fer et de lithium (LFP). Les batteries LFP existent depuis quelques décennies, mais n’ont été viables pour des applications pratiques à grande échelle que récemment. Actuellement, 44% de tous les VE en Chine utilisent des batteries LFP, tout comme les derniers modèles de Tesla.
Tout comme la batterie TAQ, les batteries LFP ne se dégradent pas aussi rapidement que les cathodes à base de cobalt et ont une empreinte carbone considérablement plus petite. L’utilisation du phosphate de fer en fait également une alternative très abordable.
Les défis restants pour les batteries sans cobalt
Les ingénieurs en électricité qui souhaitent exploiter les alternatives au cobalt doivent tenir compte de quelques obstacles restants. Notamment, le lithium lui-même présente encore plusieurs complications.
L’exploitation du lithium peut ne pas être aussi chargée de problèmes sociaux et environnementaux que le cobalt, mais elle génère toujours des émissions considérables et des écoulements d’eau dangereux. Le sel de lithium le plus couramment utilisé dans les batteries Li-ion se transforme en fluorure d’hydrogène, qui est hautement toxique et corrosif lorsqu’il réagit avec l’humidité. Par conséquent, les accidents lors de l’expédition ou du travail avec ces systèmes peuvent créer d’importants risques pour la sécurité.
Chaque alternative aux batteries Li-ion à base de cobalt présente également des inconvénients spécifiques. Le TAQ offre des performances impressionnantes en laboratoire, mais les résultats réels sont encore incertains car il est si nouveau. Sa nouveauté signifie également que les ingénieurs ne peuvent pas commencer à l’utiliser dès aujourd’hui.
Les batteries LFP ont des résultats concrets dans le monde réel, mais leurs défauts sont devenus plus évidents au cours de leur histoire d’utilisation. Même les versions plus récentes et plus efficaces ont du mal à bien fonctionner dans des environnements plus froids. Elles sont également plus difficiles à recycler en fin de vie utile.
La voie à suivre pour les batteries de VE
Ces obstacles ne signifient pas que les ingénieurs ne devraient pas développer de systèmes de batteries sans cobalt. Cependant, ils doivent tempérer leurs attentes à court terme et tenir compte de quelques considérations opérationnelles. Concevoir et fabriquer des VE avec ces batteries nécessite de comprendre leurs lacunes.
La transparence de la chaîne d’approvisionnement doit s’améliorer, compte tenu de la dépendance du lithium et d’autres matériaux de batterie à des mines potentiellement destructrices. Seulement 15% des chaînes d’approvisionnement ont une visibilité au-delà des fournisseurs de premier rang, ce qui rend difficile de savoir si un produit repose sur des opérations éthiquement ou environnementalement nuisibles. Promouvoir la transparence et la confiance aidera les ingénieurs à sourcer des matériaux en tenant compte de ces facteurs.
Des mesures de sécurité approfondies sont également essentielles pour développer des systèmes autour des batteries Li-ion. De même, les ingénieurs doivent tenir compte de la manière dont leurs conceptions globales prennent en compte les problèmes de sécurité potentiels tels que l’exposition à l’humidité ou les risques d’incendie en cas de surcharge.
Un soutien supplémentaire dans un VE peut aider à compenser certains inconvénients des alternatives au cobalt. Par exemple, une meilleure isolation thermique aidera les batteries LFP à mieux fonctionner par temps froid. Les systèmes de surveillance en temps réel peuvent aider à garder les performances du TAQ sous contrôle pour détecter d’éventuels problèmes.
La transition vers des batteries sans cobalt
Les batteries Li-ion continueront probablement de dépendre du cobalt jusqu’à ce que des alternatives soient plus largement disponibles et viables commercialement. Cependant, le marché évolue dans cette direction. Les coûts économiques, sociaux et environnementaux du cobalt sont trop importants pour être ignorés.