Énergie
Concevoir une meilleure batterie – Adieu le cobalt et bonjour… TAQ ?
Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently developed a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals. In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.
L’importance des batteries
With the rise of EVs (Electric Vehicles) – largely thanks to American Tesla and Chinese BYD and CATL – battery technology has become more important than ever as they are relevant not only for electronics, but also for mobility. And soon for the electric grid as well, in order to balance out the intermittency of renewable energies like wind and solar.
À ce jour, la chimie dominante pour les batteries est la technologie lithium‑ion. Cela s’explique par le fait que ces batteries offrent l’une des densités d’énergie les plus élevées lorsqu’on les mesure en kW/kg. Cette métrique est de loin la plus importante dans les applications de mobilité, car chaque kilo supplémentaire de batterie implique un besoin de plus de batterie et/ou une autonomie réduite.
Ainsi, puisque les VE se sont avérés être la technologie clé du futur pour les automobiles (et peut‑être 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 exempte de défauts. Il existe une liste de problèmes à résoudre :
- La densité reste encore assez faible comparée aux carburants liquides comme l’essence et le diesel, entraînant une anxiété d’autonomie.
- La recharge peut être quelque peu lente, ce qui pose problème à de nombreux conducteurs et aux applications commerciales.
- Les batteries sont coûteuses, principalement en raison du besoin de minéraux onéreux.
- Cela a fait que les VE étaient initialement davantage un produit de luxe qu’un bien de consommation ordinaire.
- L’exploitation minière de ces minéraux est rarement respectueuse de l’environnement et s’accompagne souvent de conditions de travail épouvantables et d’exploitation de travailleurs pauvres ou d’enfants dans les mines, notamment dans le cas du cobalt au Congo.
En conséquence, de nombreuses chimies alternatives ont été envisagées. Cela inclut, sans s’y limiter,
- LFP (Lithium‑Fer/Phosphate de fer)
- sodium‑ion
- batteries à état solide
- lithium‑soufre
- graphène
- batteries en verre
L’oxydation de l’aluminium a même été évoquée 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 détaillé les avantages et les limites de chacune de ces technologies dans notre article « L’avenir de la mobilité – Technologie des batteries ».)
Les plus prometteuses, comme les batteries à état solide, sont encore à un stade expérimental, et celles prêtes à la commercialisation, comme le LFP et le sodium‑ion, souffrent d’une densité d’énergie inférieure à celle du lithium‑ion.
Il existe probablement un marché pour ces batteries à densité plus faible, car elles sont également beaucoup moins chères à produire. L’entreprise chinoise CATL (300750.SZ), qui produit plus de la moitié des batteries de la planète, fait partie des leaders dans ce domaine. Nous avons abordé les principaux fabricants de batteries dans notre article « Top 10 des actions de batteries à investir ».
Cependant, en fin de compte, le VE idéal aurait une batterie à la fois bon marché et puissante. Cette combinaison sera probablement nécessaire pour remplacer entièrement le moteur à combustion, en particulier pour les applications commerciales.
Le problème de la cathode lithium‑ion
La plupart des limites du lithium‑ion proviennent des propriétés chimiques et physiques de la partie cathode de la batterie. C’est la cathode qui nécessite généralement du cobalt, et même dans les alternatives potentielles sans cobalt, elle repose souvent fortement sur d’autres métaux coûteux comme le nickel et le magnésium.
(Les métaux nécessaires à la transition vers les VE et les énergies renouvelables ont été davantage abordés dans notre article « Top 10 des métaux pour batteries et actions minières d’énergies renouvelables ».)
Ces métaux doivent être extraits, provoquent de la pollution, et les conditions de travail sont souvent terribles. Ils sont également toxiques, ce qui rend le recyclage des batteries plus compliqué.
Source: Visual Capitalist
Les chercheurs ont étudié des alternatives à base de carbone, ou les soi‑disant cathodes organiques. Jusqu’à présent, cela a été plutôt infructueux, les cathodes organiques étant soit trop faibles en densité d’énergie, soit insuffisamment durables pour être utilisées dans le cadre des cycles fréquents de charge‑décharge des VE.
Cela pourrait avoir changé, grâce à la découverte susmentionnée des chercheurs du MIT.
Un nouveau type de cathode organique
Pr. Mircea Dincă, travaillant au poste de professeur d’énergie W.M. Keck au MIT, a récemment exploré de nouveaux composés organiques jamais testés auparavant pour des applications de cathode. Au lieu des composés organosoufrés et carbonyles précédemment étudiés, il s’est intéressé à un composé appelé TAQ (bis‑tétraminobenzquinone). Son équipe avait déjà démontré le potentiel de ce produit chimique en tant que matériau de supercondensateur.
TAQ a un grand potentiel d’utilisation dans les batteries, car il forme “des structures en couches à état solide qui pourraient 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, renforçant ainsi la stabilité du nouveau prototype de cathode preuve de concept.
En ajoutant des matériaux contenant de la cellulose et du caoutchouc au TAQ, ils ont réussi en toute sécurité à dépasser 2 000 cycles charge‑décharge. La densité d’énergie était également supérieure à celle des cathodes à base de cobalt, et la recharge prenait moins de 6 minutes.
Et après ?
Il s’agit pour l’instant d’un prototype de laboratoire, et des travaux supplémentaires seront nécessaires pour le mettre à l’échelle de la taille d’un pack de batterie de VE complet – ainsi que des efforts supplémentaires pour concevoir un processus de fabrication à grande échelle pour cette nouvelle chimie de batterie.
Cependant, c’est l’une des premières fois qu’une cathode organique a surpassé les conceptions lithium‑ion à base de cobalt sur tous les critères importants : densité d’énergie, coût des matériaux et vitesse de charge.
Cela montre que la chimie lithium‑ion pourrait rester la chimie de batterie dominante, tant qu’elle parvient à résoudre sa dépendance aux métaux qui posent des problèmes éthiques et environnementaux.
Un autre point que la recherche du Pr Dincă démontre est que les cathodes organiques ont un grand potentiel, avec potentiellement des milliers d’autres composés organiques encore non 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 très importantes. Il serait bien plus simple de ne changer que la cathode que de reconstruire les usines de batteries à partir de zéro pour accueillir de nouvelles chimies. Ainsi, améliorer le lithium‑ion pourrait avoir beaucoup de sens d’un point de vue commercial.
Il convient également de noter que les cathodes organiques ont été évoquées pour d’autres types de batteries, par exemple pour les batteries aluminium‑ion, sodium/potassium‑ion, zinc, ou calcium‑dual‑ion. Ainsi, il est possible que la découverte des propriétés du TAQ puisse être appliquée à d’autres types de batteries que le lithium‑ion.
Dans tous les cas, les composants organiques dans les batteries les rendront plus faciles à recycler, un problème (et une opportunité d’investissement) que nous avons exploré en profondeur dans notre article « Aborder le dilemme du Li‑ion : élimination des cellules de batterie défectueuses dans un monde de plus en plus électrifié ».
Entreprises de cathodes organiques
Volkswagen AG
La recherche du Pr Mircea Dincă a été financée par Automobili Lamborghini S.p.A., une filiale d’Audi, appartenant au groupe Volkswagen. Une demande de brevet pour la technologie de cathode organique a déjà été déposée.
Le constructeur automobile allemand est le deuxième plus grand producteur de voitures au monde, derrière seulement Toyota. L’entreprise a, pendant un certain temps, accusé un retard dans la technologie des VE mais a travaillé d’arrache-pied pour rattraper son retard depuis, notamment avec la série de voitures ID et plusieurs modèles hybrides également.
Source: Volkswagen
D’ici 2033, le Volkswagen Group prévoit de ne produire que des VE en Europe.
La collaboration avec les chercheurs du MIT n’est qu’une parmi tant d’autres, avec d’autres partenariats concernant les VE, notamment :
- Un partenariat avec Renault pour un VE à 20 000 €.
- Un investissement de 700 M$ dans le chinois Xpeng pour stimuler les ventes de VE en Chine.
- Un partenariat avec le chinois SAIC Motor pour fournir des plateformes de VE à Volkswagen.
- Un partenariat avec Jetta Motor pour acquérir la technologie des VE.
- Un partenariat de 492 M$ avec Magna pour revitaliser les SUV emblématiques Scout en tant que VE
Avec ses plans ambitieux concernant les VE et son accès à la technologie avancée des VE provenant 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 VE.
Autres entreprises de batteries organiques
Bien qu’elles ne développent pas de nouvelles cathodes, deux startups travaillent à l’utilisation de composés organiques pour améliorer les performances de l’anode, Store Dot et EnergyX.
