Sel Rocailleux Désordonné : Comment la Gestion de la Mobilité de l’Oxygène a Conduit à une Révolution dans la Technologie des Batteries

La demande de batteries augmente dans le monde, alimentée par leur utilisation croissante dans l’industrie automobile, la popularité croissante des appareils électroniques portables et les réglementations environnementales strictes. En conséquence, le marché mondial des batteries a été projeté atteindre 800 milliards de dollars d’ici 2036, contre environ 120 milliards de dollars en 2023.

À la lumière de cette croissance prévue, les chercheurs développent et testent continuellement de nouveaux matériaux et produits chimiques afin d’améliorer les composants critiques des batteries, qui influent sur des propriétés telles que la puissance énergétique, le stockage d’énergie, la capacité de puissance 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 fonctionnant sur 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 grande quantité d’énergie dans des formats compacts, se recharger rapidement et durer longtemps.

Cependant, avec la demande croissante de batteries aux capacités supérieures, de nouvelles technologies sont recherchées et développées pour améliorer l’efficacité, réduire les coûts, renforcer la sécurité et favoriser la durabilité.

Au fil des ans, la recherche continue a conduit à des avancées offrant des alternatives prometteuses aux batteries lithium-ion et au plomb‑acide.

Les batteries sodium-ion offrent une option plus abordable et plus sûre qui fonctionne mieux à basse température. Ces batteries sont similaires aux batteries lithium-ion mais utilisent de l’eau salée comme électrolyte, les rendant plus adaptées au stockage d’énergie, bien qu’elles ne soient pas encore optimisées. Les chercheurs utilisent même un gel électrolytique pour rendre les nanofils plus résistants et adaptés à l’usage en batterie.

Les batteries à état solide, en revanche, utilisent un électrolyte solide tel que le verre, la céramique ou le polymère au lieu d’un électrolyte gel ou liquide. Ces batteries sont beaucoup plus efficaces, pèsent moins, se rechargent plus rapidement, et sont déjà utilisées dans les smartphones et les stimulateurs cardiaques. Toyota et BMW travaillent actuellement à lancer des voitures alimentées par des batteries à état solide, bien que cela prenne encore quelques années.

De nouvelles technologies de batteries comprennent également les batteries lithium-soufre, qui sont économiques mais présentent une limitation de durabilité, et les batteries lithium-ion sans cobalt, qui peuvent aider à répondre aux préoccupations relatives aux droits humains dans l’exploitation du cobalt. Cependant, des alternatives comme le TAQ sont encore nouvelles et nécessitent davantage de tests.

Les batteries à base de zinc sont également étudiées, avec des technologies incluant le zinc-manganèse dioxide, le zinc-air, le zinc-brome et les batteries zinc-ion. Cependant, elles sont inefficaces, impliquent parfois des réactions de conversion chimique inattendues et sont coûteuses à fabriquer, nécessitant davantage de recherche.

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 temps de stockage, de puissance de sortie, de coûts de production et de disponibilité instantanée.

Dernière percée dans les batteries: cathodes à sel rocailleux‑polyanion

De nouvelles recherches ont permis d’améliorer la densité énergétique pratique de la batterie. Publiée dans Nature Energy à la fin du mois dernier, l’étude intitulée “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling”, a été réalisée par le département de Science et Génie Nucléaires du MIT.

L’étude se concentre sur un nouveau matériau de cathode trouvé dans le sel rocailleux désordonné, qui a été étudié comme matériau de cathode avancé pour les batteries lithium-ion depuis plus d’une décennie.

Les chercheurs du MIT se sont assurés que le matériau peut 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 d’ingénierie nucléaire chez Tokyo Electric Power Company, l’équipe a découvert le DRXPS, ou spinelle désordonné à sel rocailleux‑polyanion, comme nouveau matériau.

Cette nouvelle catégorie de cathode à sel rocailleux partiellement désordonné, intégrée avec des polyanions, est capable de délivrer une haute densité énergétique à haute tension avec une stabilité de cyclage améliorée. Cela est une grande réussite, étant donné qu’il existe généralement un compromis entre densité énergétique et stabilité de cyclage dans les matériaux de cathode.

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

– Yimeng Huang, premier auteur du papier, postdoctorant au NSE

Alors, comment la nouvelle famille de matériaux parvient-elle à atteindre à la fois une haute densité énergétique et une bonne stabilité de cyclage ? La réponse réside dans l’intégration de deux matériaux clés de cathode — le sel rocailleux et l’olivine polyanionique. En les combinant, il a pu bénéficier des avantages de chacun.

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

Par exemple, le manganèse coûte 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.

« (Le fait qu’un tel matériau soit beaucoup plus abondant sur Terre est un avantage considérable.) »

– Li, professeur de science et génie des matériaux

Cet avantage, selon les chercheurs, est d’une grande valeur pour un avenir zéro carbone qui nécessite une infrastructure d’énergie renouvelable.

Les batteries peuvent jouer un rôle important dans cette transition, avec le potentiel de décarboniser le transport grâce aux véhicules électriques et de répondre à l’intermittence de l’énergie solaire et éolienne. Puisque ces sources d’énergie renouvelable ne sont pas disponibles 24h/24, le stockage d’énergie est essentiel pour fournir de l’électricité pendant les périodes où ces sources ne sont pas disponibles, comme la nuit ou les jours nuageux et calmes.

Les chercheurs soulignent également que des matériaux comme le cobalt et le nickel sont relativement rares et coûteux. Les utiliser pour augmenter rapidement la capacité de stockage électrique pourrait entraîner d’importantes hausses de coûts et potentiellement des pénuries significatives de matériaux. Selon Li :

« Si nous voulons une véritable électrification de la production d’énergie, du transport et plus encore, nous avons besoin de batteries abondantes sur Terre pour stocker l’énergie photovoltaïque et éolienne intermittente. Je pense que c’est l’une des étapes vers ce rêve. »

Surmonter le défi de la mobilité de l’oxygène dans les matériaux actuels

Financée par le Honda Research Institute USA Inc. et le Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory, l’étude a abordé l’un des principaux défis auxquels les cathodes à sel rocailleux désordonné sont confrontées.

Comme indiqué précédemment, le matériau a été étudié pour sa capacité extrêmement élevée. Comparé aux matériaux de cathode traditionnels, qui ont une capacité entre 190 et 200 milliampères‑heure par gramme, ce matériau atteint jusqu’à 350 milliampères‑heure par gramme.

Cependant, malgré une capacité très élevée, le matériau n’est pas très stable. Cela est en partie dû au redox de l’oxygène, un processus d’exploitation de la densité électronique près des atomes d’oxygène dans les matériaux de cathode.

Le redox de l’oxygène est activé lorsque la cathode est chargée à des tensions élevées, rendant l’oxygène mobile, ce qui entraîne alors des réactions avec l’électrolyte et la dégradation du matériau. Cela rend le matériau inutilisable après un cyclage prolongé.

Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont introduit un autre élément dans le matériau : le phosphore (P), un solide doux et cireux qui agit comme une colle, maintenant l’oxygène en place et réduisant la dégradation du matériau.

Mais l’ajout de phosphore seul ne suffit pas. C’est la bonne quantité de phosphore qui constitue l’innovation la plus importante ici. L’ajout de la quantité appropriée de P « a formé les soi‑disant polyanions avec ses atomes d’oxygène voisins dans une structure de sel rocailleux déficiente en cations qui peut les ancrer », a déclaré Li.

La forte liaison covalente entre l’oxygène et le phosphore permet aux chercheurs de mettre fin au transport de l’oxygène. Ainsi, ils ont pu exploiter la capacité apportée par l’oxygène et, en même temps, obtenir une bonne stabilité.

Disposer de cette capacité à charger les batteries à des tensions plus élevées est important car cela permet des systèmes plus simples pour gérer leur énergie stockée.

« On peut dire que la qualité de l’énergie est supérieure. Plus la tension par cellule est élevée, moins il faut les connecter en série dans le pack de batteries, et plus le système de gestion de batterie est simple. »

– Li

Cette étude n’est que le début, l’équipe va maintenant explorer différents ratios de manganèse, lithium, oxygène et phosphore, ainsi que diverses combinaisons d’autres éléments formant des polyanions comme le silicium, le soufre et le bore.

À l’avenir, les chercheurs étudieront également de nouvelles méthodes de fabrication du matériau, en se concentrant particulièrement sur l’évolutivité et la morphologie. L’étude actuelle utilise le broyage à haute énergie pour la synthèse mécanochimique, ce qui donne une morphologie non uniforme et des particules d’environ 150 nm, une petite moyenne. De plus, leur méthode actuelle n’est pas vraiment évolutive.

Ainsi, les chercheurs essaient maintenant des méthodes de synthèse alternatives pour obtenir une morphologie plus uniforme et des particules de plus grande taille. Cela aiderait à augmenter la densité énergétique volumétrique du matériau et pourrait même leur permettre d’essayer certaines méthodes de revêtement susceptibles d’améliorer les performances de la batterie. Les méthodes futures doivent également être évolutives à l’échelle industrielle.

Un autre problème est la conductivité, qui a été améliorée en ajoutant une quantité importante de carbone au matériau à sel rocailleux désordonné. En fait, le carbone représentait 20 % du poids de la pâte de cathode, le matériau n’étant pas vraiment un bon conducteur en soi.

Ainsi, bien sûr, les chercheurs examineront davantage la réduction de la teneur en carbone de l’électrode. S’ils peuvent y parvenir sans sacrifier les performances de la batterie, ils pourraient augmenter la densité énergétique pratique en incorporant une plus grande teneur en matériau actif dans la batterie.

À cette fin, ils envisagent d’utiliser des nanotubes de carbone, ce qui pourrait réduire la teneur en carbone à seulement un ou deux pour cent en poids, permettant une augmentation significative du matériau actif de la cathode. L’étude actuelle, cependant, a utilisé du Super P, un carbone conducteur composé de nanosphères, qui est moins efficace.

Une autre amélioration consiste à utiliser des électrodes épaisses, ce qui augmenterait davantage la densité énergétique pratique de la batterie.

Une fois que l’équipe aura optimisé la composition du matériau, développé des électrodes plus épaisses, obtenu une meilleure morphologie pour des revêtements uniformes, réduit la teneur en carbone et adopté des méthodes de synthèse évolutives, elle considère la famille de cathodes DRXPS comme très prometteuse pour les applications dans les véhicules électriques, le stockage sur le réseau et l’électronique grand public.

Entreprises qui font progresser le domaine des batteries

De nombreuses entreprises contribuent à faire progresser le domaine, et encore plus d’entre elles pourraient bénéficier de ces développements.

Umicore (UMICY) est une de ces entreprises impliquées dans les matériaux de batterie, notamment les technologies de cathode, avec un accent sur les matériaux durables et avancés. Pendant ce temps, Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) est un fournisseur de lithium, et Vale (VALE) est un producteur mondial majeur de fer et de manganèse. Maintenant, examinons quelques autres noms de premier plan :

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Grand producteur de lithium, Albemarle, développe des technologies de batterie avec une densité énergétique accrue afin de réduire le poids et d’augmenter l’autonomie. C’est l’un des plus grands producteurs mondiaux de lithium pour les batteries de véhicules électriques. Les offres de l’entreprise pour répondre à la demande d’énergie propre comprennent des solutions de cathode, des solutions d’anode, des solutions d’électrolyte et des boîtiers de batterie.

Avec une capitalisation boursière de 9,84 milliards de dollars, l’action d’Albemarle se négocie actuellement à 83,66 $, en baisse de 41,6 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de -4,73, un PER (TTM) de -17,67 et un rendement du dividende de 1,94 %. Au deuxième trimestre 2024, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires net de 1,4 milliard de dollars et un EBITDA ajusté de 386 millions de dollars. Les flux de trésorerie d’exploitation s’élevaient quant à eux à 363 millions de dollars, en hausse par rapport à 289 millions de dollars d’une année sur l’autre. Albemarle a également généré plus de 150 millions de dollars d’avantages de productivité.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) développe des batteries lithium-métal à état solide, visant à transformer le stockage d’énergie. L’entreprise a mis au point le premier design de cellule sans anode de l’industrie, ce qui réduit les coûts des matériaux et offre une haute densité énergétique. Cette année, QuantumScape s’est associé à PowerCo, la société de batteries de Volkswagen, leur accordant une licence pour produire en masse des cellules de batterie basées sur la plateforme technologique de QuantumScape.

Avec une capitalisation boursière de 2,75 milliards de dollars, l’action de QuantumScape se négocie actuellement à 5,51 $, en baisse de 19,78 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de -0,95 et un PER (TTM) de -5,78. Au deuxième trimestre 2024, l’entreprise a enregistré des dépenses d’investissement de 18,9 millions de dollars, tandis que les dépenses d’exploitation GAAP s’élevaient à 134,5 millions de dollars. La liquidité s’élevait à 938 millions de dollars à la fin du trimestre.

Conclusion

Étant donné l’utilisation répandue et la taille du marché des batteries, de nouvelles technologies de batteries avancées sont fortement recherchées et développées. Comme nous l’avons vu dans la dernière étude, le nouveau matériau de cathode a présenté « des densités d’énergie gravimétriques supérieures à 1 100 Wh kg⁻¹ et >70 % de rétention sur 100 cycles », ouvrant la voie à des cathodes de batterie fabriquées à partir d’éléments abondants sur Terre comme le Mn et le Fe.

Puisque les batteries lithium-ion sont considérées comme une partie cruciale de la transition énergétique propre, des études comme celle-ci assurent leur croissance continue et la réduction de leurs prix en développant des « matériaux de cathode peu coûteux et haute performance ».

Cela indique un avenir prometteur pour le stockage d’énergie, avec le potentiel de répondre à la demande mondiale croissante tout en minimisant l’impact environnemental.

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