Les batteries au lithium utilisent plus de 50 % de tout le cobalt produit dans le monde. Ces piles sont dans votre téléphone portable, ordinateur portable et peut-être même votre voiture. Environ 50 pour cent du cobalt mondial provient du Congo, où il est en grande partie extrait à la main, dans certains cas par des enfants. Mais maintenant, une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de l'Université de Californie, Berkeley, a ouvert la porte à l'utilisation d'autres métaux dans les batteries au lithium, et ont construit des cathodes avec une capacité de stockage de lithium 50 % supérieure à celle des matériaux conventionnels.

"Nous avons ouvert un nouvel espace chimique pour la technologie des batteries, " a déclaré l'auteur principal Gerbrand Ceder, professeur au Département de science et génie des matériaux à Berkeley. "Pour la première fois, nous avons un élément vraiment bon marché qui peut faire beaucoup d'échanges d'électrons dans les batteries."

L'étude sera publiée dans l'édition du 12 avril de la revue La nature . Le travail était une collaboration entre des scientifiques de l'UC Berkeley, Laboratoire de Berkeley, Laboratoire national d'Argonne, MIT et UC Santa Cruz.

Dans les batteries au lithium d'aujourd'hui, les ions lithium sont stockés dans des cathodes (l'électrode chargée négativement), qui sont des structures en couches. Le cobalt est essentiel au maintien de cette structure en couches. Lorsqu'une batterie est chargée, les ions lithium sont tirés de la cathode vers l'autre côté de la cellule de batterie, l'anode. L'absence de lithium dans la cathode laisse beaucoup de place. La plupart des ions métalliques afflueraient dans cet espace, ce qui ferait perdre à la cathode sa structure. Mais le cobalt est l'un des rares éléments qui ne bouge pas, ce qui le rend essentiel pour l'industrie des batteries.

En 2014, Le laboratoire de Ceder a découvert un moyen pour les cathodes de maintenir une densité d'énergie élevée sans ces couches, un concept appelé sels minéraux désordonnés. La nouvelle étude montre comment le manganèse peut fonctionner dans ce concept, ce qui est une étape prometteuse de la dépendance au cobalt car le manganèse se trouve dans la saleté, ce qui en fait un élément bon marché.

"Pour faire face à la question des ressources du cobalt, il faut s'éloigner de cette stratification dans les cathodes, " a déclaré Ceder. " Le désordre des cathodes nous a permis de jouer avec beaucoup plus du tableau périodique. "

Dans la nouvelle étude, Le laboratoire de Ceder montre comment les nouvelles technologies peuvent être utilisées pour obtenir une grande capacité d'une cathode. En utilisant un processus appelé dopage au fluor, les scientifiques ont incorporé une grande quantité de manganèse dans la cathode. Avoir plus d'ions manganèse avec la charge appropriée permet aux cathodes de contenir plus d'ions lithium, augmentant ainsi la capacité de la batterie.

D'autres groupes de recherche ont tenté de doper les cathodes au fluor mais n'ont pas réussi. Ceder dit que le travail de son laboratoire sur les structures désordonnées a été une grande clé de leur succès.

Les performances de la cathode sont mesurées en énergie par unité de poids, appelé wattheures par kilogramme. Les cathodes de manganèse désordonnées se sont approchées de 1, 000 wattheures par kilogramme. Les cathodes lithium-ion typiques sont de l'ordre de 500 à 700 wattheures par kilogramme.

« Dans le monde des batteries, c'est une énorme amélioration par rapport aux cathodes conventionnelles, " a déclaré l'auteur principal Jinhyuk Lee, qui était stagiaire postdoctoral au laboratoire du Ceder pendant l'étude, et est maintenant stagiaire postdoctoral au MIT.

La technologie doit être étendue et testée davantage pour voir si elle peut être utilisée dans des applications telles que les ordinateurs portables ou les véhicules électriques. Mais Ceder dit que cette technologie soit ou non intégrée à une batterie n'a pas d'importance; les chercheurs ont ouvert de nouvelles possibilités pour la conception de cathodes, ce qui est encore plus important.

"Vous pouvez maintenant utiliser à peu près n'importe quel élément du tableau périodique parce que nous avons montré que les cathodes n'ont pas besoin d'être superposées, " a déclaré Ceder. " Soudain, nous avons beaucoup plus de liberté chimique, et je pense que c'est là que se trouve la véritable excitation parce que maintenant nous pouvons explorer de nouvelles cathodes."