Sel de roche désorganisé : Comment aborder la mobilité de l’oxygène a conduit à une avancée dans la technologie des batteries

La demande de batteries augmente dans le monde entier, driven by their increasing use dans l’industrie automobile, la popularité croissante des appareils électroniques portables et les 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.

Face à cette croissance attendue, les chercheurs développent et testent continuellement de nouveaux matériaux et produits chimiques pour améliorer les composants critiques des batteries, qui affectent les propriétés telles que la sortie d’énergie, le stockage d’énergie, la capacité de puissance et la capacité de cyclage.

Ces composants incluent une cathode (électrode positive), une anode (électrode négative), un électrolyte (pour le transport d’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 au lithium-ion. Les batteries au lithium-ion peuvent stocker une grande quantité d’énergie dans des tailles compactes, se charger rapidement et durer longtemps.

Cependant, avec la demande croissante de batteries ayant de meilleures capacités, de nouvelles technologies sont étudiées et développées pour améliorer l’efficacité, réduire les coûts, améliorer la sécurité et promouvoir la durabilité.

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

Les batteries au sodium-ion offrent une option plus abordable et plus sûre qui se comporte mieux à des températures plus basses. Ces batteries sont similaires aux batteries au lithium-ion mais utilisent de l’eau de mer comme électrolyte, les rendant plus adaptées au stockage d’énergie, bien qu’elles n’aient pas encore été optimisées. Les chercheurs utilisent même un gel d’électrolyte pour rendre les nanofils plus résistants et adaptés à l’utilisation des batteries.

Les batteries à l’état solide, d’un autre côté, utilisent un électrolyte solide tel que le verre, la céramique ou le polymère au lieu d’un électrolyte gélatinieux ou liquide. Ces batteries sont beaucoup plus efficaces, pèsent moins, se chargent plus rapidement et sont déjà utilisées dans les smartphones et les pacemakers. Toyota et BMW travaillent actuellement sur le lancement de voitures à batterie à l’état solide, bien qu’il faudra encore quelques années.

Les nouvelles technologies de batteries comprennent également les batteries au lithium-soufre, qui sont rentables mais ont une limitation de durabilité, et les batteries au lithium-ion sans cobalt, qui peuvent aider à résoudre les préoccupations en matière de droits de l’homme dans l’extraction du cobalt. Cependant, des alternatives comme TAQ sont encore nouvelles et nécessitent plus de tests.

Les batteries à base de zinc sont également étudiées, avec des technologies telles que le zinc-manganèse dioxyde, le zinc-air, le zinc-brome et les batteries au zinc-ion. Cependant, elles sont inefficaces, impliquent parfois des réactions chimiques de conversion inattendues et sont coûteuses à fabriquer, nécessitant ainsi plus de recherche.

Alors que le monde dépend de plus en plus des batteries, les scientifiques à travers le monde se concentrent sur la réalisation de percées dans les temps de stockage, la puissance de sortie, les coûts de production et la disponibilité immédiate.

Dernière avancée en matière de batterie : cathodes à base de sel de roche et de polyanions

Une nouvelle recherche a fait une avancée dans l’augmentation de la densité d’énergie pratique de la batterie. Publiée dans Nature Energy à la fin du mois dernier, l’étude intitulée “Cathodes à base de sel de roche et de polyanions intégrés avec excès de lithium et cyclage stabilisé,” a été menée par le département des sciences et de l’ingénierie nucléaire du MIT.

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

Les chercheurs du MIT ont veillé à ce que le matériau puisse 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 de génie nucléaire à la Tokyo Electric Power Company, l’équipe a découvert le DRXPS, ou sel de roche désorganisé-polianion spinel, comme nouveau matériau.

Cette nouvelle catégorie de cathode à base de sel de roche partiellement désorganisé, intégrée avec des polyanions, est capable de fournir une densité d’énergie élevée à des tensions élevées avec une stabilité de cyclage améliorée. Ceci est une grande réalisation, étant donné qu’il y a généralement un compromis entre la densité d’énergie et la 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 de l’article, postdoctorant au NSE

Maintenant, comment ce nouveau matériau est-il capable d’atteindre à la fois une densité d’énergie élevée et une bonne stabilité de cyclage ? La réponse se trouve dans l’intégration de deux matériaux de cathode clés — le sel de roche et l’olivine polyanionique. En les combinant, il a été possible d’obtenir les avantages de chacun.

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

Par exemple, le manganèse est environ trente fois moins cher que le cobalt (Co) et cinq fois moins cher que le nickel (Ni), qui sont couramment utilisés dans les batteries. De plus, le manganèse joue un rôle crucial pour atteindre des densités d’énergie plus élevées.

“(Avoir un tel) matériau beaucoup plus abondant sur Terre est un avantage énorme.”

– Li, professeur de science et de génie des matériaux

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

Les batteries peuvent jouer un rôle important dans cette transition, avec le potentiel de décarboniser les transports grâce aux véhicules électriques et de résoudre l’intermittence de l’énergie solaire et éolienne. Puisque ces sources d’énergie renouvelable ne sont pas disponibles 24 heures sur 24, le stockage d’énergie est essentiel pour fournir de l’énergie 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 conduire à d’importantes hausses de coûts et à des pénuries potentiellement importantes de matériaux. Selon Li :

“Si nous voulons avoir une véritable électrification de la production d’énergie, des transports 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 l’obstacle de la mobilité de l’oxygène dans les matériaux actuels

Financée par l’Institut de recherche Honda USA Inc. et le Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory, l’étude a abordé l’un des principaux défis auxquels sont confrontées les cathodes à base de sel de roche désorganisé.

Comme mentionné plus tôt, le matériau a été étudié pour sa capacité extrêmement élevée. Par rapport aux matériaux de cathode traditionnels, qui ont une capacité comprise entre 190 et 200 milliampères-heures par gramme, ce matériau offre jusqu’à 350 milliampères-heures par gramme.

Cependant, malgré une capacité très élevée, le matériau n’est pas très stable. Ceci est partiellement dû à la rédox de l’oxygène, un processus d’utilisation de la densité électronique près des atomes d’oxygène dans les matériaux de cathode.

La rédox de l’oxygène est activée lorsque la cathode est chargée à des tensions élevées, ce qui rend l’oxygène mobile et conduit à des réactions avec l’électrolyte et à la dégradation du matériau. Ceci 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 mou et cireux qui agit comme une colle, retenant l’oxygène en place et réduisant la dégradation du matériau.

Mais simplement ajouter du phosphore ne suffit pas en soi. C’est la quantité appropriée de phosphore qui est l’innovation la plus importante ici. L’ajout de la quantité appropriée de P “a formé des polyanions avec les atomes d’oxygène voisins dans une structure de sel de roche déficiente en cations qui peut les retenir”, a déclaré Li.

La liaison covalente forte entre l’oxygène et le phosphore permet aux chercheurs de mettre fin au transport de l’oxygène. De cette façon, ils ont pu utiliser la capacité contribuée par l’oxygène et en même temps, atteindre une bonne stabilité.

Avoir la capacité de 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. La tension plus élevée par cellule signifie que l’on a moins besoin de les connecter en série dans le pack de batteries, et le système de gestion de batterie est plus simple.”

– Li

Cette étude ne fait que commencer, car l’équipe va maintenant explorer différents rapports de manganèse, de lithium, d’oxygène et de phosphore, ainsi que diverses combinaisons d’autres éléments formant des polyanions comme le silicium, le soufre et le bore.

À l’avenir, les chercheurs vont également étudier de nouvelles méthodes pour fabriquer le matériau, en se concentrant particulièrement sur la scalabilité et la morphologie. L’étude actuelle utilise le broyage à haute énergie pour la synthèse mécanochimique, qui donne une morphologie non uniforme et des particules de la taille d’environ 150 nanomètres, une petite moyenne. De plus, leur méthode actuelle n’est pas vraiment scalable.

Les chercheurs essayent donc des méthodes de synthèse alternatives pour obtenir une morphologie plus uniforme et des particules de plus grande taille. Ceci aiderait à augmenter la densité d’énergie volumétrique du matériau et pourrait même leur permettre d’essayer certaines méthodes de revêtement qui pourraient améliorer les performances de la batterie. Les méthodes futures doivent également être scalable sur le plan industriel.

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

Les chercheurs vont donc étudier davantage la réduction de la teneur en carbone dans l’électrode. Si ils peuvent y parvenir sans sacrifier les performances de la batterie, ils pourraient augmenter la densité d’énergie pratique en incorporant une plus grande quantité de matériau actif dans la batterie.

À cette fin, ils envisagent d’utiliser des nanotubes de carbone, qui pourraient réduire la teneur en carbone à seulement un ou deux pour cent en poids, permettant ainsi une augmentation significative de la quantité de matériau de cathode actif. L’étude actuelle 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 encore la densité d’énergie pratique de la batterie.

Une fois que l’équipe optimise la composition du matériau, développe des électrodes plus épaisses, obtient une meilleure morphologie pour des revêtements uniformes, réduit la teneur en carbone et adopte des méthodes de synthèse scalable, ils considèrent la famille de cathodes DRXPS comme très prometteuse pour les applications dans les véhicules électriques, le stockage de réseau et les appareils électroniques grand public.

Entreprises qui progressent dans le domaine des batteries

De nombreuses entreprises aident à faire progresser le domaine, et encore plus peuvent bénéficier de ces développements.

Umicore (UMICY) est l’une de ces entreprises impliquées dans les matériaux de batterie, en particulier dans les technologies de cathode, avec un accent sur les matériaux avancés et durables. Pendant ce temps, Lithium Americas Corp. (LAC) est un fournisseur de lithium, et Vale (VALE) est l’un des principaux producteurs mondiaux de fer et de manganèse. Maintenant, regardons quelques autres noms importants :

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Un grand producteur de lithium, Albemarle, a développé des technologies de batterie avec une densité d’énergie accrue pour réduire le poids et augmenter la portée. Il s’agit de l’un des plus grands producteurs 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 est actuellement cotée à 83,66 dollars, en baisse de 41,6 % sur l’année. Il a un BPA (TTM) de -4,73, un P/E (TTM) de -17,67 et un rendement des dividendes de 1,94 %. Au deuxième trimestre 2024, l’entreprise a enregistré un chiffre d’affaires de 1,4 milliard de dollars et un EBITDA ajusté de 386 millions de dollars. La trésorerie provenant des activités s’élevait à 363 millions de dollars, en hausse par rapport à 289 millions de dollars l’année précédente. Albemarle a également livré plus de 150 millions de dollars de bénéfices de productivité.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape est un développeur de batteries au lithium-métal à l’état solide, qui vise à transformer le stockage d’énergie. L’entreprise a développé la première conception de cellule sans anode de l’industrie, qui réduit les coûts des matériaux et offre une densité d’énergie élevée. Cette année, QuantumScape a conclu un partenariat avec la société de batteries de Volkswagen, PowerCo, leur accordant une licence pour produire en masse des cellules de batterie basées sur la plate-forme technologique de QuantumScape.

Avec une capitalisation boursière de 2,75 milliards de dollars, l’action de QuantumScape est actuellement cotée à 5,51 dollars, en baisse de 19,78 % sur l’année. Il a un BPA (TTM) de -0,95 et un P/E (TTM) de -5,78. Au deuxième trimestre 2024, l’entreprise a enregistré des dépenses en capital 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

Compte tenu de l’utilisation généralisée et de la taille du marché des batteries, de nouvelles technologies de batteries avancées sont étudiées et développées. Comme nous l’avons vu dans la dernière étude, le nouveau matériau de cathode a présenté “des densités d’énergie gravimétrique élevées supérieures à 1 100 Wh kg-1 et une rétention supérieure à 70 % sur 100 cycles”, ouvrant la voie aux cathodes de batterie fabriquées à partir d’éléments abondants sur Terre comme le manganèse et le fer.

Puisque les batteries au lithium-ion sont considérées comme une partie cruciale de la transition énergétique propre, des études comme celle-ci assurent leur croissance et leur réduction de coûts continues en développant “des matériaux de cathode à faible coût et à haute performance.”

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

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