De nombreux véhicules électriques sont alimentés par des batteries contenant du cobalt, un métal qui entraîne des coûts financiers, environnementaux et sociaux élevés.
Les chercheurs du MIT ont désormais conçu un matériau de batterie qui pourrait offrir un moyen plus durable d’alimenter les voitures électriques. La nouvelle batterie lithium-ion comprend une cathode à base de matériaux organiques, au lieu de cobalt ou de nickel (un autre métal souvent utilisé dans les batteries lithium-ion).
Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont montré que ce matériau, qui pourrait être produit à un coût bien inférieur à celui des batteries contenant du cobalt, peut conduire l'électricité à des vitesses similaires à celles des batteries au cobalt. La nouvelle batterie a également une capacité de stockage comparable et peut être chargée plus rapidement que les batteries au cobalt, rapportent les chercheurs.
"Je pense que ce matériel pourrait avoir un grand impact car il fonctionne très bien", déclare Mircea Dincă, directeur de W.M. Professeur Keck d'énergie au MIT. "Elle est déjà compétitive par rapport aux technologies existantes, et elle peut permettre d'économiser une grande partie des coûts, des difficultés et des problèmes environnementaux liés à l'extraction des métaux qui entrent actuellement dans la composition des batteries."
Dincă est l'auteur principal de l'étude, publiée aujourd'hui (18 janvier) dans la revue ACS Central Science. . Tianyang Chen Ph.D. '23 et Harish Banda, ancien postdoctorant au MIT, sont les principaux auteurs de l'article. Parmi les autres auteurs figurent Jiande Wang, postdoctorant au MIT; Julius Oppenheim, étudiant diplômé du MIT; et Alessandro Franceschi, chercheur à l'Université de Bologne.
La plupart des voitures électriques sont alimentées par des batteries lithium-ion, un type de batterie qui se recharge lorsque les ions lithium passent d'une électrode chargée positivement, appelée cathode, à une électrode négative, appelée anode. Dans la plupart des batteries lithium-ion, la cathode contient du cobalt, un métal qui offre une stabilité et une densité énergétique élevées.
Cependant, le cobalt présente des inconvénients importants. Métal rare, son prix peut fluctuer considérablement et la plupart des gisements mondiaux de cobalt sont situés dans des pays politiquement instables. L'extraction du cobalt crée des conditions de travail dangereuses et génère des déchets toxiques qui contaminent les terres, l'air et l'eau entourant les mines.
« Les batteries au cobalt peuvent stocker beaucoup d'énergie et possèdent toutes les caractéristiques qui intéressent les gens en termes de performances, mais elles ont le problème de ne pas être largement disponibles et leur coût fluctue largement en fonction des prix des matières premières. à une proportion beaucoup plus élevée de véhicules électrifiés sur le marché grand public, cela va certainement devenir plus cher", dit Dincă.
En raison des nombreux inconvénients du cobalt, de nombreuses recherches ont été menées pour tenter de développer des matériaux alternatifs pour les batteries. L’un de ces matériaux est le lithium-fer-phosphate (LFP), que certains constructeurs automobiles commencent à utiliser dans les véhicules électriques. Bien que toujours utile en pratique, la LFP n'a qu'environ la moitié de la densité énergétique des batteries au cobalt et au nickel.
Les matériaux organiques sont une autre option intéressante, mais jusqu'à présent, la plupart de ces matériaux n'ont pas été en mesure d'égaler la conductivité, la capacité de stockage et la durée de vie des batteries contenant du cobalt. En raison de leur faible conductivité, ces matériaux doivent généralement être mélangés à des liants tels que des polymères, qui les aident à maintenir un réseau conducteur. Ces liants, qui représentent au moins 50 % du matériau total, réduisent la capacité de stockage de la batterie.
Il y a environ six ans, le laboratoire de Dincă a commencé à travailler sur un projet financé par Lamborghini, visant à développer une batterie organique pouvant être utilisée pour alimenter les voitures électriques. En travaillant sur des matériaux poreux en partie organiques et en partie inorganiques, Dincă et ses étudiants ont réalisé qu'un matériau entièrement organique qu'ils avaient fabriqué semblait pouvoir être un puissant conducteur.
Ce matériau est constitué de plusieurs couches de TAQ (bis-tétraaminobenzoquinone), une petite molécule organique contenant trois anneaux hexagonaux fusionnés. Ces couches peuvent s’étendre vers l’extérieur dans toutes les directions, formant une structure similaire au graphite. À l'intérieur des molécules se trouvent des groupes chimiques appelés quinones, qui sont les réservoirs d'électrons, et des amines, qui aident le matériau à former de fortes liaisons hydrogène.
Ces liaisons hydrogène rendent le matériau très stable et également très insoluble. Cette insolubilité est importante car elle empêche le matériau de se dissoudre dans l'électrolyte de la batterie, comme le font certains matériaux organiques de batterie, prolongeant ainsi sa durée de vie.
"L'une des principales méthodes de dégradation des matières organiques est qu'elles se dissolvent simplement dans l'électrolyte de la batterie et passent de l'autre côté de la batterie, créant essentiellement un court-circuit. Si vous rendez la matière complètement insoluble, ce processus ne se produit pas." cela se produit, nous pouvons donc atteindre plus de 2 000 cycles de charge avec une dégradation minimale", explique Dincă.
Les tests de ce matériau ont montré que sa conductivité et sa capacité de stockage étaient comparables à celles des batteries traditionnelles contenant du cobalt. De plus, les batteries dotées d'une cathode TAQ peuvent être chargées et déchargées plus rapidement que les batteries existantes, ce qui pourrait accélérer le taux de charge des véhicules électriques.
Pour stabiliser la matière organique et augmenter sa capacité à adhérer au collecteur de courant de la batterie, qui est en cuivre ou en aluminium, les chercheurs ont ajouté des matériaux de remplissage tels que la cellulose et le caoutchouc. Ces charges représentent moins d'un dixième du composite global de la cathode, elles ne réduisent donc pas de manière significative la capacité de stockage de la batterie.
Ces charges prolongent également la durée de vie de la cathode de la batterie en l'empêchant de se fissurer lorsque les ions lithium pénètrent dans la cathode pendant que la batterie se charge.
Les matières premières nécessaires à la fabrication de ce type de cathode sont un précurseur de quinone et un précurseur d'amine, qui sont déjà disponibles dans le commerce et produits en grandes quantités comme produits chimiques de base. Les chercheurs estiment que le coût matériel de l'assemblage de ces batteries organiques pourrait représenter environ un tiers à la moitié du coût des batteries au cobalt.
Lamborghini a obtenu une licence pour le brevet sur cette technologie. Le laboratoire de Dincă prévoit de continuer à développer des matériaux alternatifs pour les batteries et étudie la possibilité de remplacer le lithium par du sodium ou du magnésium, qui sont moins chers et plus abondants que le lithium.
Plus d'informations : Tianyang Chen et al, Une cathode organique en couches pour les batteries Li-Ion à haute énergie, à charge rapide et longue durée, ACS Central Science (2024). DOI : 10.1021/acscentsci.3c01478
Informations sur le journal : Science centrale de l'ACS
Fourni par le Massachusetts Institute of Technology
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.
