Énergie
Concevoir une meilleure batterie – Fini le cobalt et place au… TAQ ?
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Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont récemment développé Un nouveau type de technologie de batterie qui se passe de métaux précieux. À la place ? Une cathode organique appelée bis-tétraaminobenzoquinone ou « TAQ ».
L'importance des piles
Avec l’essor des véhicules électriques (VE) – en grande partie grâce à l’américain Tesla et aux chinois BYD et CATL – la technologie des batteries est devenue plus importante que jamais car elle est pertinente non seulement pour l’électronique, mais aussi pour la mobilité. Et bientôt pour le réseau électrique également, afin de compenser l'intermittence des énergies renouvelables comme l'éolien et le solaire.
À ce jour, la chimie dominante pour les batteries est la technologie lithium-ion. En effet, ces batteries font partie de la densité énergétique disponible lorsqu'elle est mesurée en kW/kg. Cette mesure est de loin la plus importante dans les applications de mobilité, car chaque kilo supplémentaire de batterie signifie un besoin de plus de batterie et/ou moins d'autonomie.
Ainsi, depuis que les véhicules électriques se sont avérés être la technologie clé du futur pour les automobiles (et peut-être pour les camions et même les avions), des efforts considérables ont été déployés pour améliorer la technologie des batteries.
Abandonner le lithium-ion ?
Bien que très dense, la technologie lithium-ion traditionnelle n’est pas sans défauts. Il y a une liste de problèmes à résoudre :
- La densité est encore plutôt faible par rapport aux carburants liquides comme l’essence et le diesel, ce qui provoque une anxiété en matière d’autonomie.
- La charge peut être quelque peu lente, ce qui constitue un problème pour de nombreux conducteurs et applications commerciales.
- Les batteries sont chères, en grande partie à cause de la nécessité de minéraux coûteux.
- Cela a fait que les véhicules électriques étaient initialement davantage un bien de luxe qu’un bien de consommation normal.
- L’exploitation minière de ces minéraux est rarement respectueuse de l’environnement et s’accompagne souvent de conditions de travail épouvantables et de l’exploitation des travailleurs pauvres ou des enfants dans les mines, notamment dans le cas du cobalt au Congo.
En conséquence, de nombreuses chimies alternatives ont été envisagées. Cela inclut et n'est pas limité à,
- LFP (Lithium-Ferrum/Fer-Phosphate)
- sodium-ion
- batteries à semi-conducteurs
- lithium-soufre
- graphène
- piles en verre
L'oxydation de l'aluminium a même été discuté comme une alternative aux batteries. Cependant, toutes ces alternatives ont leurs limites. Cela peut inclure une durée de vie plus courte, des difficultés de fabrication, etc.
(Nous avons discuté en détail des avantages et des limites de chacune de ces technologies dans notre article «L’avenir de la mobilité – Battery Tech»).
Les plus prometteuses, comme les batteries à semi-conducteurs, en sont encore au stade expérimental, et celles prêtes à être commercialisées, comme les LFP et les batteries sodium-ion, souffrent d'une densité énergétique inférieure à celle du lithium-ion.
Il existe probablement un marché pour ces batteries à faible densité, car elles sont également beaucoup moins chères à produire. La société chinoise CATL (300750.SZ), qui produit plus de la moitié des batteries de la planète, figure parmi les leaders dans ce domaine. Nous avons présenté les principaux fabricants de batteries dans notre article « Top 10 des stocks de batteries dans lesquels investir ».
Pourtant, en fin de compte, le véhicule électrique idéal aurait une batterie bon marché ET puissante. Cette combinaison sera probablement nécessaire pour remplacer complètement le moteur à combustion, en particulier pour les applications commerciales.
Le problème de la cathode lithium-ion
La plupart des limitations du lithium-ion proviennent des propriétés chimiques et physiques de la partie cathodique de la batterie. C’est la cathode qui nécessite généralement du cobalt, et même dans les alternatives potentielles sans cobalt, elle repose généralement fortement sur d’autres métaux coûteux comme le nickel et le magnésium.
(Les métaux nécessaires à la transition vers les véhicules électriques et les énergies renouvelables ont été abordés plus en détail dans notre article "Top 10 des stocks de métaux pour batteries et d’énergies renouvelables»)
Ces métaux sont indispensables à l’extraction, sont polluants et les conditions de travail sont souvent épouvantables. Ils sont également toxiques, ce qui rend le recyclage des batteries plus compliqué.
Source: Capitaliste visuel
Les chercheurs étudient des alternatives à base de carbone, ou cathodes dites organiques. Pour l’instant, cela s’est avéré plutôt infructueux, car les cathodes organiques avaient une densité énergétique trop faible ou n’étaient pas assez durables pour être utilisées dans le contexte des cycles de charge-décharge fréquents des véhicules électriques.
Cela aurait pu changer grâce à la découverte susmentionnée des chercheurs du MIT.
Un nouveau type de cathode organique
Par Mircea Dincă, professeur d'énergie WM Keck au MIT, a récemment exploré de nouveaux composés organiques non encore testés pour les applications cathodiques. Au lieu des composés organosulfurés et carbonylés précédemment explorés, il a examiné un composé appelé TAQ (bis-tétraaminobenzoquinone). Son équipe avait déjà démontré le potentiel de ce produit chimique en tant que matériau pour supercondensateur.
Le TAQ a un grand potentiel d’utilisation dans les batteries, car il forme «structures à l'état solide en couches qui peuvent potentiellement rivaliser avec les performances des cathodes traditionnelles à base de cobalt. »
En soi, cela n’aurait pas suffi. Les chercheurs du MIT ont également découvert comment améliorer l'adhérence du TAQ au collecteur de courant en acier inoxydable de la cathode, améliorant ainsi la stabilité du nouveau prototype de cathode de validation de principe.
En ajoutant des matériaux contenant de la cellulose et du caoutchouc au TAQ, ils ont réalisé en toute sécurité plus de 2,000 6 cycles de charge-décharge. La densité énergétique était également plus élevée qu’avec les cathodes à base de cobalt et la charge prenait moins de XNUMX minutes.
Quelle est la prochaine étape?
Il s’agit, pour l’instant, d’un prototype de laboratoire, et des travaux supplémentaires seront nécessaires pour l’adapter à la taille complète d’une batterie EV – et encore plus d’efforts pour voir comment mettre en place un processus de fabrication à plus grande échelle pour cette nouvelle chimie de batterie.
Pourtant, c’est l’une des premières fois qu’une cathode organique surpasse les conceptions lithium-ion à base de cobalt sur tous les paramètres importants : densité énergétique, coût des matériaux et vitesse de charge.
Cela montre que la chimie lithium-ion pourrait rester la chimie principale des batteries, à condition qu’elle puisse résoudre sa dépendance à l’égard des métaux qui posent des problèmes éthiques et environnementaux.
Une autre chose que prouvent les recherches du Pr Dincă est que les cathodes organiques ont un grand potentiel, avec potentiellement des milliers d'autres composés organiques qui n'ont pas encore été testés pour cette application. Ainsi, même si le TAQ s’avère insuffisant pour remplacer le cobalt et le nickel, d’autres produits chimiques similaires au TAQ pourraient y parvenir.
Les conceptions lithium-ion bénéficient également d’une chaîne d’approvisionnement et d’une base de fabrication préexistantes massives. Et il serait beaucoup plus facile de simplement changer la cathode que de reconstruire entièrement les usines de batteries pour accueillir de nouveaux produits chimiques. Ainsi, l’amélioration du lithium-ion pourrait avoir beaucoup de sens d’un point de vue commercial.
Il convient également de noter que les cathodes organiques ont également été évoquées pour d'autres types de batteries, par exemple pour aluminium-ion, ion sodium/potassium, zinc, ou double ion à base de calcium batteries. Il est donc possible que la découverte des propriétés du TAQ puisse être appliquée à d'autres types de batteries que les batteries lithium-ion.
Quoi qu’il en soit, les composants organiques des batteries faciliteront leur recyclage, une problématique (une opportunité d’investissement) que nous avons explorée en profondeur dans notre article «Résoudre le dilemme du Li-ion : éliminer les cellules de batterie obsolètes dans un monde de plus en plus électrifié ».
Entreprises de cathodes organiques
Volkswagen AG
Les recherches du Pr. Mircea Dincă a été financé par Automobili Lamborghini SpA, une filiale d'Audi, propriété du groupe Volkswagen. Une demande de brevet pour la technologie des cathodes organiques a déjà été déposée.
Le constructeur automobile allemand est le deuxième constructeur automobile mondial, derrière Toyota. L'entreprise a été, pendant un certain temps, à la traîne en matière de technologie EV, mais a travaillé dur pour rattraper son retard depuis, notamment avec la série de voitures ID et plusieurs modèles hybrides.
Source : Volkswagen
La collaboration avec les chercheurs du MIT n’est qu’un parmi tant d’autres, avec d’autres partenariats sur les véhicules électriques, notamment :
- Un partenariat avec Renault pour un VE à 20,000 XNUMX euros.
- Un investissement de 700 millions de dollars dans le chinois Xpeng pour stimuler les ventes de véhicules électriques en Chine.
- Un partenariat avec le chinois SAIC Motor pour fournir des plateformes EV à Volkswagen.
- Un partenariat avec Jetta Motor pour l'acquisition de la technologie EV.
- Un partenariat de 492 M$ avec Magna pour revitaliser les emblématiques SUV Scout en tant que véhicule électrique
Avec ses projets ambitieux en matière de véhicules électriques et son accès à la technologie avancée des véhicules électriques des principales entreprises chinoises, Volkswagen est bien placé pour examiner la technologie brevetée de cathode organique du MIT et travailler à son déploiement à grande échelle dans ses futurs véhicules électriques.
Autres sociétés de batteries organiques
S'ils ne développent pas de nouvelles cathodes, deux startups travaillent sur l'utilisation de composés organiques pour améliorer les performances des anodes, Point de magasin et ÉnergieX.
