Au cours de la dernière décennie, le sel gemme désordonné a attiré l’attention comme un matériau cathodique révolutionnaire potentiel pour les batteries lithium-ion, promettant un stockage d’énergie à faible coût et haute densité pour des applications allant des téléphones portables aux véhicules électriques et au stockage d’énergie renouvelable.
Une nouvelle étude du MIT confirme que ce matériau est à la hauteur de ses promesses.
Dirigée par Ju Li, professeur de génie nucléaire à la Tokyo Electric Power Company et professeur de science et d’ingénierie des matériaux, une équipe de chercheurs a développé une nouvelle classe de cathodes de sel gemme partiellement désordonnées, intégrées à des polyanions. Surnommées spinelle désordonnée de sel gemme-polyanionique (DRXPS), ces cathodes offrent une densité d’énergie élevée à haute tension avec une stabilité de cyclage considérablement améliorée.
« Il y a généralement un compromis dans les matériaux cathodiques entre la densité énergétique et la stabilité du cycle… et avec ce travail, nous visons à repousser les limites en concevant de nouvelles chimies cathodiques », explique Yimeng Huang, postdoctorant au Département de science et d’ingénierie nucléaires et premier auteur d’un article publié aujourd’hui dans Nature Energy. « (Cette) famille de matériaux a une densité énergétique élevée et une bonne stabilité cyclique car elle intègre deux principaux types de matériaux cathodiques, le sel gemme et l’olivine polyanionique, elle présente donc les avantages des deux. »
Il est important, ajoute Li, que cette nouvelle famille de matériaux soit principalement composée de manganèse, un élément abondant et beaucoup moins cher que le nickel et le cobalt, couramment utilisés dans les cathodes actuelles.
« Le manganèse est au moins cinq fois moins cher que le nickel et environ 30 fois moins cher que le cobalt », explique Li. « Le manganèse est également crucial pour atteindre des densités énergétiques plus élevées, donc avoir ce matériau beaucoup plus abondant sur terre est un énorme avantage. »
Une voie possible vers une infrastructure d’énergies renouvelables
Ce bénéfice sera particulièrement crucial, selon Li et ses co-auteurs, alors que le monde cherche à construire une infrastructure d’énergie renouvelable nécessaire pour un avenir à faible ou zéro carbone.
Les batteries jouent un rôle clé dans ce contexte, non seulement pour décarboner les transports avec les voitures, bus et camions électriques, mais aussi pour résoudre les problèmes d’intermittence de l’énergie éolienne et solaire en stockant l’énergie excédentaire et en la réinjectant dans le réseau lorsque la production renouvelable diminue.
Compte tenu du coût élevé et de la rareté relative de matériaux comme le cobalt et le nickel, ils écrivent que les efforts pour augmenter rapidement la capacité de stockage d’électricité entraîneraient probablement des hausses de coûts extrêmes et des pénuries de matériaux.
« Si nous voulons une véritable électrification de la production d’énergie, des transports et bien plus encore, nous avons besoin de batteries abondantes sur Terre pour stocker l’énergie photovoltaïque et éolienne intermittente », explique Li. « Je pense que c’est l’une des étapes vers ce rêve. »
Gerbrand Ceder, titulaire de la chaire distinguée Samsung en recherche sur les nanosciences et les nanotechnologies et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’Université de Californie à Berkeley, partage ce sentiment.
« Les batteries lithium-ion jouent un rôle essentiel dans la transition énergétique propre », déclare Ceder. « Leur croissance continue et la baisse de leurs prix dépendent du développement de matériaux cathodiques peu coûteux et performants fabriqués à partir de matériaux abondants sur terre, comme présenté dans ce travail. »
Surmonter les obstacles liés aux matériaux existants
La nouvelle étude aborde l’un des défis majeurs des cathodes de sel gemme désordonnées : la mobilité de l’oxygène.
Bien que ces matériaux soient connus pour offrir une capacité très élevée – jusqu’à 350 milliampères-heure par gramme – par rapport aux matériaux cathodiques traditionnels, qui ont généralement des capacités comprises entre 190 et 200 milliampères-heure par gramme, ils ne sont pas très stables.
La capacité élevée est en partie due au rédox de l’oxygène, activé lorsque la cathode est chargée à des tensions élevées. Mais cela rend l’oxygène mobile, entraînant des réactions avec l’électrolyte et une dégradation du matériau, le rendant finalement inutilisable après un cycle prolongé.
Pour surmonter ces défis, Huang a ajouté du phosphore, qui agit comme une colle, retenant l’oxygène en place pour atténuer la dégradation.
« La principale innovation ici, et la théorie derrière la conception, est que Yimeng a ajouté juste la bonne quantité de phosphore, formant des polyanions avec ses atomes d’oxygène voisins, dans une structure de sel gemme déficiente en cations qui peut les cerner », explique Li. « Cela nous permet d’arrêter le transport de l’oxygène par percolation en raison de la forte liaison covalente entre le phosphore et l’oxygène… ce qui signifie que nous pouvons à la fois utiliser la capacité apportée par l’oxygène, mais également avoir une bonne stabilité. »
Selon Li, cette capacité à charger les batteries à des tensions plus élevées est cruciale car elle permet à des systèmes plus simples de gérer l’énergie qu’elles stockent.
« On peut dire que la qualité de l’énergie est meilleure », dit-il. « Plus la tension par cellule est élevée, moins vous avez besoin de les connecter en série dans la batterie et plus le système de gestion de la batterie est simple. »
Ouvrir la voie aux études futures
Bien que le matériau cathodique décrit dans l’étude puisse avoir un impact transformateur sur la technologie des batteries lithium-ion, plusieurs pistes d’étude restent à explorer.
Selon Huang, les futures études devraient explorer de nouvelles méthodes de fabrication du matériau, en particulier pour des considérations de morphologie et d’évolutivité.
« À l’heure actuelle, nous utilisons un broyeur à boulets à haute énergie pour la synthèse mécanochimique, et… la morphologie qui en résulte n’est pas uniforme et a une petite taille moyenne de particules (environ 150 nanomètres). Cette méthode n’est pas non plus tout à fait évolutive », dit-il. « Nous essayons d’obtenir une morphologie plus uniforme avec des particules de plus grande taille en utilisant des méthodes de synthèse alternatives, ce qui nous permettrait d’augmenter la densité d’énergie volumétrique du matériau et pourrait nous permettre d’explorer certaines méthodes de revêtement… ce qui pourrait améliorer encore les performances de la batterie. Bien entendu, les futures méthodes devraient être évolutives sur le plan industriel. »
De plus, le sel gemme désordonné en lui-même n’est pas un bon conducteur, c’est pourquoi des quantités importantes de carbone – jusqu’à 20 % en poids de la pâte cathodique – ont été ajoutées pour augmenter sa conductivité. Si l’équipe parvient à réduire la teneur en carbone de l’électrode sans sacrifier les performances, la batterie aura une teneur en matière active plus élevée, ce qui entraînera une densité d’énergie pratique accrue.
« Dans cet article, nous avons simplement utilisé du Super P, un carbone conducteur typique constitué de nanosphères, mais ils ne sont pas très efficaces », explique Huang. « Nous explorons actuellement l’utilisation de nanotubes de carbone, qui pourraient réduire la teneur en carbone à seulement 1 ou 2 pour cent en poids, ce qui pourrait nous permettre d’augmenter considérablement la quantité de matériau cathodique actif. »
Outre la diminution de la teneur en carbone, la fabrication d’électrodes épaisses constitue un autre moyen d’augmenter la densité énergétique pratique de la batterie. C’est un autre domaine de recherche sur lequel l’équipe travaille.
« Ce n’est que le début des recherches sur DRXPS, puisque nous n’avons exploré que quelques chimies au sein de son vaste espace de composition », poursuit-il. « Nous pouvons jouer avec différents ratios de lithium, de manganèse, de phosphore et d’oxygène, ainsi qu’avec diverses combinaisons d’autres éléments formant des polyanions tels que le bore, le silicium et le soufre. »
Avec des compositions optimisées, des méthodes de synthèse plus évolutives, une meilleure morphologie permettant des revêtements uniformes, une teneur en carbone plus faible et des électrodes plus épaisses, la famille de cathodes DRXPS est très prometteuse pour les applications dans les véhicules électriques et le stockage sur réseau, et peut-être même dans l’électronique grand public, où la densité d’énergie volumétrique est très importante.
Ce travail a été financé par le Honda Research Institute USA Inc. et la Molecular Foundry du Lawrence Berkeley National Laboratory, et a utilisé les ressources de la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory et de la Advanced Photon Source du Argonne National Laboratory.
