Des chercheurs de Georgia Tech affirment que le nouveau cathode pourrait augmenter l’efficacité des batteries.
Les batteries lithium-ion commerciales utilisent principalement des électrolytes organiques combustibles et des cathodes en métaux rares, ce qui risque de compromettre la sécurité et la durabilité tout en augmentant les coûts. Ces problèmes, ainsi que la densité énergétique relativement basse des cathodes largement utilisées, ont déclenché une course mondiale pour développer des technologies de batteries plus abordables et durables.
Une équipe de recherche de Georgia Tech a découvert un matériau cathodique qu’elle estime pouvoir redéfinir l’avenir du stockage d’énergie. Ce développement vise à corriger les lacunes des matériaux cathodiques et offre un chemin prometteur.
Pack de batterie de véhicule électrique. Image utilisée avec l’autorisation de Adobe Stock
Aperçus sur les batteries
Les batteries lithium-ion (Li-ions) sont devenues la base de tous les appareils électroniques portables depuis leur commercialisation dans les années 1990, et plus récemment, elles ont trouvé leur place dans les véhicules électriques.
La demande croissante pour les Li-ions a révélé de nombreux défis, notamment en matière de coût et de durabilité. Aujourd’hui, les batteries représentent environ 50 % du coût total d’un véhicule électrique, principalement en raison de la dépendance à des matériaux coûteux comme le nickel et le cobalt. Ces métaux présentent également des préoccupations environnementales et de chaîne d’approvisionnement.
Cellule en pochette Li-ion et modèle électrochimique. Image utilisée avec l’autorisation de Kim et al.
Une batterie lithium-ion comprend deux électrodes remplies d’électrolyte (cathode et anode), un séparateur poreux saturé d’électrolyte, et un boîtier scellé. La cathode a généralement le poids le plus élevé et impacte considérablement le coût et la performance, notamment en termes de poids, de sécurité et de durée de vie. Elle stocke et libère les ions lithium lors des processus de charge et de décharge, respectivement. Les cathodes couramment utilisées, telles que le phosphate de fer lithium (LiFePO4), l’oxyde de cobalt lithium (LiCoO2), l’oxyde de manganèse lithium (LiMn2O4), et le nickel-cobalt-manganèse lithium (NCM ou NCA), offrent des performances fiables.
Malheureusement, la densité énergétique relativement faible de ces chimies de cathode limite leurs applications. De plus, l’augmentation des coûts, les limitations de ressources, les défis environnementaux liés à l’extraction, et la toxicité du nickel et du cobalt compliquent l’adoption à grande échelle.
Le cathode en chlorure de fer de Georgia Tech
Une équipe de recherche de Georgia Tech a introduit un nouveau matériau cathodique, le chlorure de fer (FeCl3), conçu pour améliorer la performance des batteries Li-ion et réduire les coûts, en particulier pour les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle.
L’équipe de recherche a utilisé des techniques de spectroscopie avancées pour analyser le mouvement des Li-ions et les mécanismes redox Fe2+/Fe3+ derrière le cathode. Le cathode résultant utilise seulement 1 à 2 % des matériaux cathodiques traditionnels comme le cobalt et le nickel, mais offre tout de même une capacité de stockage d’énergie comparable tout en abordant la rareté et le coût des matériaux. Associé à un électrolyte halogéné solide et à une anode en alliage lithium-indium, il crée une batterie entièrement à état solide, qui présente des avantages par rapport aux batteries Li-ion conventionnelles à électrolyte liquide en offrant une densité énergétique plus élevée, une sécurité accrue et des risques de fuite réduits.
Chercheurs de Georgia Tech avec leur nouveau cathode. Image utilisée avec l’autorisation de Georgia Tech
Les premiers tests révèlent que ce cathode offre des performances équivalentes ou supérieures à celles des cathodes commerciales existantes, avec l’avantage supplémentaire de réduire les coûts totaux du système de batteries de 30 à 40 %. Selon la recherche, le cathode FeCl3 présente des plateaux de tension stables et maintient 83 % de sa capacité après 1000 cycles, avec une efficacité coulombique de 99,95 %. De plus, le cathode a montré des tensions opérationnelles supérieures à celles du phosphate de fer lithium couramment utilisé, offrant une force électrique et une efficacité de batterie plus élevées.
Perspectives d’avenir
L’équipe de recherche de Georgia Tech prévoit un chemin relativement rapide vers le marché pour leur cathode de batterie. Selon le chercheur principal, Hailong Chen, la technologie pourrait être prête pour un usage commercial dans les véhicules électriques en moins de cinq ans. L’équipe reste concentrée sur l’affinement en laboratoire, notamment sur une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents et le perfectionnement du matériau.