Une équipe de chercheurs tente de déclencher une révolution verte dans le domaine des batteries en démontrant que le fer, à la place du cobalt et du nickel, peut être utilisé comme matériau cathodique dans les batteries lithium-ion.
« Nous avons transformé la réactivité du fer métallique, le métal le moins cher », a déclaré Xiulei « David » Ji, co-chercheur principal de l'Université d'État de l'Oregon, dans un communiqué aux médias. « Notre électrode peut offrir une densité énergétique plus élevée que les matériaux cathodiques de pointe des véhicules électriques. Et comme nous utilisons du fer, dont le coût peut être inférieur à un dollar par kilogramme – une petite fraction du nickel et du cobalt, indispensables dans les batteries lithium-ion à haute énergie actuelles – le coût de nos batteries est potentiellement bien inférieur.
Aujourd’hui, la cathode représente 50 % du coût de fabrication d’une batterie lithium-ion. Au-delà de l’aspect économique, les cathodes à base de fer permettraient une plus grande sécurité et durabilité.
Alors que de plus en plus de batteries lithium-ion sont fabriquées pour électrifier le secteur des transports, la demande mondiale de nickel et de cobalt a grimpé en flèche. Ji souligne que dans quelques décennies, les pénuries prévues de nickel et de cobalt freineront la production de batteries comme c'est le cas actuellement.
De plus, la densité énergétique de ces éléments est déjà étendue jusqu'à son niveau plafond – si elle était poussée plus loin, l'oxygène libéré pendant la charge pourrait provoquer l'inflammation des batteries – et le cobalt est toxique, ce qui signifie qu'il peut contaminer les écosystèmes et les sources d'eau s'il s'échappe. de décharges.
Mettez tout cela ensemble, a déclaré Ji, et il est facile de comprendre la quête mondiale de nouvelles chimies de batteries plus durables.
Les travaux
Une batterie se compose de deux électrodes – l’anode et la cathode, généralement constituées de matériaux différents – ainsi que d’un séparateur et d’un électrolyte, un milieu chimique qui permet la circulation de la charge électrique. Pendant la décharge de la batterie, les électrons circulent de l’anode vers un circuit externe puis se rassemblent à la cathode.
Dans une batterie lithium-ion, comme son nom l'indique, une charge est transportée via les ions lithium lorsqu'ils se déplacent à travers l'électrolyte de l'anode à la cathode pendant la décharge, puis inversement pendant la recharge.
« Notre cathode à base de fer ne sera pas limitée par un manque de ressources », a déclaré Ji, expliquant que le fer, en plus d'être l'élément le plus répandu sur Terre en termes de masse, est le quatrième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. . « Nous ne manquerons pas de fer tant que le soleil ne se transformera pas en géante rouge. »
Ji et ses collaborateurs de plusieurs universités et laboratoires nationaux ont augmenté la réactivité du fer dans leur cathode en concevant un environnement chimique basé sur un mélange d'anions fluor et phosphate – des ions chargés négativement.
Le mélange, soigneusement mélangé sous forme de solution solide, permet la conversion réversible – ce qui signifie que la batterie peut être rechargée – d'un fin mélange de poudre de fer, de fluorure de lithium et de phosphate de lithium en sels de fer.
« Nous avons démontré que les matériaux conçus avec des anions peuvent dépasser le plafond de densité énergétique pour des batteries plus durables et moins coûteuses », a déclaré Ji. « Nous n'utilisons pas de sel plus coûteux en combinaison avec du fer, mais uniquement ceux utilisés par l'industrie des batteries, puis de la poudre de fer. Pour mettre cette nouvelle cathode en application, il n’y a rien d’autre à changer : pas de nouvelles anodes, pas de nouvelles lignes de production, pas de nouvelle conception de la batterie. Nous remplaçons juste une chose, la cathode.
L’efficacité du stockage doit cependant encore être améliorée. À l’heure actuelle, toute l’électricité introduite dans la batterie pendant la charge n’est pas disponible pour être utilisée une fois déchargée. Lorsque ces améliorations seront apportées, le résultat sera une batterie qui fonctionnera bien mieux que celles actuellement utilisées tout en coûtant moins cher et en étant plus écologique.
« S'il y a des investissements dans cette technologie, elle ne devrait pas tarder à être disponible sur le marché », a déclaré Ji. « Nous avons besoin des visionnaires de l’industrie pour allouer des ressources à ce domaine émergent. Le monde peut avoir une industrie cathodique basée sur un métal presque gratuit comparé au cobalt et au nickel. Et s'il faut travailler dur pour recycler le cobalt et le nickel, il n'est même pas nécessaire de recycler le fer : il se transforme simplement en rouille si on le laisse tomber.»
