Une équipe de recherche pense avoir trouvé une alternative plus durable au cobalt utilisé dans les batteries de véhicules électriques.
Le cobalt est l’un des métaux les plus coûteux dans la fabrication des batteries, contribuant de manière significative au coût global des batteries de véhicules électriques (VE). De plus, la dépendance aux cathodes en cobalt dans les batteries lithium-ion soulève des enjeux économiques et éthiques, ce qui accentue l’impératif de réduire ou d’éliminer l’utilisation du cobalt.
Noyaux de forage d’une mine de cobalt-cuivre. Image utilisée avec l’aimable autorisation de U.S Geological Survey
Une équipe de recherche a créé une alternative plus durable au cobalt pour les batteries de VE en utilisant un matériau cathodique organique.
Le Dilemme du Cobalt
Le cobalt contribue de manière significative aux performances et à la longévité des batteries lithium-ion (Li-ion), rendant son élimination complexe. D’un point de vue électrochimique, le cobalt favorise la haute densité énergétique des batteries Li-ion, ce qui se traduit directement par plus de puissance et une autonomie plus longue pour le véhicule. Trouver des matériaux alternatifs capables d’égaler ou de dépasser la densité énergétique fournie par le cobalt sans compromettre d’autres aspects de performance comme la durée de vie et la vitesse de charge reste un défi.
La structure d’une batterie lithium-cobalt-oxyde. Image utilisée avec l’aimable autorisation de l’Université du Michigan
En même temps, le cobalt est essentiel pour maintenir l’intégrité structurelle de la batterie lors des cycles de charge et de décharge. Dans les batteries Li-ion, en particulier celles utilisant des chimies de lithium oxyde de cobalt ou de nickel-manganèse-cobalt, le cobalt améliore la stabilité du matériau cathodique. Cette stabilité est cruciale pour éviter que le cathode ne se dégrade avec le temps, ce qui peut entraîner une perte de capacité et d’efficacité de la batterie. La capacité du cobalt à résister à des températures élevées contribue également à maintenir la sécurité de la batterie, réduisant le risque de propagation thermique, une préoccupation majeure dans les batteries des VE.
Jusqu’à présent, les efforts visant à remplacer le cobalt ont conduit à l’exploration de diverses chimies alternatives, y compris les batteries au phosphate de fer lithium. Cependant, atteindre le bon équilibre entre performance, sécurité, coût et approvisionnement éthique sans cobalt reste un obstacle redoutable dans l’évolution des batteries de VE.
Recherche sans Cobalt
Les chercheurs ont fait une avancée significative vers le remplacement du cobalt dans les batteries de véhicules électriques. Le groupe s’est concentré sur le développement d’un matériau cathodique organique durable et efficace, le bis-tétraminobenzocquinone (TAQ).
Représentation schématique du mécanisme redox du TAQ. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Chen et al.
Dans leur méthodologie, l’équipe a synthétisé le TAQ en utilisant la condensation de Michael de la tétraamino-p-benzokinone, vérifiant minutieusement sa structure cristalline grâce à diverses techniques sophistiquées, notamment la diffusion des rayons X à grand angle, la microscopie électronique à balayage et la microscopie électronique cryogénique. Le TAQ a démontré une capacité spécifique théorique élevée de 356 mAh g−1, attribuée à son agencement dense de groupes actifs redox. Sa composition structurelle, caractérisée par de fortes liaisons hydrogène intermoléculaires et des interactions π−π, le rendait insoluble dans les électrolytes de batteries courants et lui conférait une délocalisation électronique étendue et une haute conductivité électrique en vrac.
Une innovation clé du TAQ réside dans son agencement en couches bidimensionnelles, qui facilite l’insertion et l’extraction faciles des ions Li+. Cette caractéristique structurelle est cruciale pour ses capacités de vitesse, permettant une charge rapide. De plus, les électrodes de TAQ pur ont montré une stabilité impressionnante, conservant leur intégrité pendant plus de 50 cycles à faibles taux de charge-décharge et affichant une rétention de capacité notable même à des charges de masse surfacique élevées.
Un Avenir de VE plus Propre
L’étude aborde la question cruciale du cobalt dans les batteries de VE sous plusieurs angles.
Éliminer le besoin de cobalt fait face aux problèmes éthiques et de chaîne d’approvisionnement liés à l’extraction du cobalt. La conductivité électrique supérieure et la stabilité structurelle du TAQ en font une alternative viable aux cathodes contenant du cobalt, garantissant des performances robustes.
De plus, la synthèse écologique et évolutive du TAQ s’aligne sur le besoin croissant de solutions de stockage d’énergie durables, essentielles dans le marché mondial en pleine expansion des VE. À travers ce travail, l’équipe propose une solution viable au dilemme du cobalt dans les batteries de VE.