Nouvelle percée en matière de batterie : cathodes de sel gemme et de polyanion

De nouvelles recherches ont fait des progrès dans l'augmentation de la densité énergétique pratique de la batterie.

La demande de batteries est en augmentation dans le monde entier, grâce à leur utilisation croissante dans l'industrie automobile, à la popularité croissante des appareils électroniques grand public portables et à des réglementations environnementales strictes. En conséquence, le marché mondial des batteries devrait atteindre 800 milliards de dollars d’ici 2036, contre environ 120 milliards de dollars en 2023.

À la lumière de cette croissance attendue, les chercheurs développent et testent continuellement de nouveaux matériaux et produits chimiques pour améliorer les parties critiques des batteries, qui affectent des propriétés telles que la production d'énergie, le stockage d'énergie, la capacité électrique et la capacité de cyclage.

Ces composants comprennent une cathode (électrode positive), une anode (électrode négative), un électrolyte (pour le transport des ions entre les électrodes) et un séparateur.  

La plupart des appareils alimentés par batterie aujourd'hui, tels que les véhicules électriques, les smartphones et les systèmes de stockage d'énergie, reposent sur la technologie des batteries lithium-ion. Les batteries lithium-ion peuvent stocker une énorme quantité d'énergie dans des tailles compactes, se charger rapidement et durer longtemps.

Cependant, avec la demande croissante de batteries dotées de plus grandes capacités, de nouvelles technologies sont recherchées et développées pour améliorer l'efficacité, réduire les coûts, améliorer la sécurité et promouvoir la durabilité.

Au fil des années, des recherches continues ont conduit à des progrès qui offrent des alternatives prometteuses aux batteries lithium-ion et plomb-acide. 

Les batteries sodium-ion offrent une option plus abordable et plus sûre qui fonctionne mieux à des températures plus basses. Ces batteries sont similaires aux batteries lithium-ion mais utilisent l’eau salée comme électrolyte, ce qui les rend plus adaptées au stockage d’énergie, même si elles doivent encore être optimisées. Les chercheurs utilisent même du gel électrolytique pour rendre les nanofils plus résistants et adaptés à l’utilisation des batteries. 

Les batteries à semi-conducteurs, quant à elles, utilisent un électrolyte solide tel que du verre, de la céramique ou un polymère au lieu d'un gel ou d'un électrolyte liquide. Ces batteries sont bien plus efficaces, pèsent moins, se chargent plus rapidement et sont déjà utilisées dans les smartphones et les stimulateurs cardiaques. Toyota et BMW travaillent actuellement au lancement de voitures alimentées par batterie à semi-conducteurs, même si cela prendra encore quelques années.

Les nouvelles technologies de batteries incluent en outre les batteries au lithium-soufre, qui sont rentables mais ont une durabilité limitée, et les batteries lithium-ion sans cobalt, qui peuvent aider à répondre aux préoccupations en matière de droits de l'homme dans l'exploitation minière du cobalt. Cependant, les alternatives comme TAQ sont encore nouvelles et nécessitent davantage de tests.

Les batteries à base de zinc sont également explorées, avec des technologies telles que les batteries zinc-dioxyde de manganèse, zinc-air, zinc-brome et zinc-ion. Cependant, ils sont inefficaces, impliquent parfois des réactions de conversion chimique inattendues et sont coûteux à fabriquer, nécessitant davantage de recherches.

Alors que le monde dépend de plus en plus des batteries, les scientifiques du monde entier se concentrent sur la réalisation de percées en matière de durée de stockage, de puissance de sortie, de coûts de production et de disponibilité instantanée.

Dernière avancée en matière de batterie : cathodes sel gemme-polyanion 

De nouvelles recherches ont fait des progrès dans l'augmentation de la densité énergétique pratique de la batterie. Publiée dans Nature Energy à la fin du mois dernier, l'étude intitulée « Cathodes intégrées de sel gemme et de polyanion avec un excès de lithium et un cycle stabilisé » a été menée par le Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires du MIT.

L'étude se concentre sur un nouveau matériau cathodique trouvé dans le sel gemme désordonné, qui a été étudié comme matériau cathodique avancé destiné à être utilisé dans les batteries lithium-ion depuis plus d'une décennie. 

Les chercheurs du MIT se sont assurés que le matériau pouvait créer un stockage à haute énergie et à faible coût pour les véhicules électriques, les téléphones mobiles et le stockage d'énergie renouvelable.

Dirigée par Ju Li, professeur en génie nucléaire à la Tokyo Electric Power Company, l'équipe a découvert le DRXPS, ou spinelle polyanionique de sel gemme désordonné, comme nouveau matériau.

Cette nouvelle catégorie de cathodes de sel gemme partiellement désordonnées, intégrées à des polyanions, s'avère fournir une densité d'énergie élevée à haute tension avec une stabilité de cyclage améliorée. Il s’agit d’une grande réussite, étant donné qu’il existe généralement un compromis entre la densité énergétique et la stabilité du cycle dans les matériaux cathodiques.

« Avec ce travail, nous visons à repousser les limites en concevant de nouvelles chimies cathodiques. »

– Yimeng Huang, premier auteur de l'article, postdoctorant au NSE

Maintenant, comment la nouvelle famille de matériaux est-elle capable d'atteindre à la fois une densité énergétique élevée et une bonne stabilité cyclique ? La réponse réside dans l’intégration de deux matériaux cathodiques clés : le sel gemme et l’olivine polyanionique. En les combinant, il a pu obtenir leurs deux avantages.

Un autre élément en jeu ici est le manganèse (Mn), un métal dur et argenté que l’on trouve en abondance sur Terre et beaucoup moins cher que les autres éléments actuellement utilisés dans les cathodes d’aujourd’hui. 

Par exemple, le Manganèse est environ trente fois moins cher que le Cobalt (Co) et cinq fois moins cher que le Nickel (Ni), tous deux couramment utilisés dans les batteries. De plus, le manganèse joue un rôle crucial dans l’obtention de densités énergétiques plus élevées. 

« (Avoir un tel) matériau soit beaucoup plus abondant sur terre est un énorme avantage. »

– Li, professeur de science et d'ingénierie des matériaux

Cet avantage, selon les chercheurs, est d'une grande valeur pour un avenir zéro carbone qui nécessite des infrastructures d'énergies renouvelables. 

Les batteries peuvent jouer un rôle important

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