Dans notre futur monde électrifié, la demande de stockage sur batterie devrait être énorme, atteignant plus de 2 à 10 térawattheures (TWh) de production annuelle de batteries d'ici 2030, contre moins de 0,5 TWh aujourd'hui. Cependant, les inquiétudes grandissent quant à savoir si les matières premières clés seront suffisantes pour répondre à cette demande future. La batterie lithium-ion - la technologie dominante dans un avenir prévisible - a un composant composé de cobalt et de nickel, et ces deux métaux sont confrontés à de graves contraintes d'approvisionnement sur le marché mondial.

Maintenant, après plusieurs années de recherche dirigées par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), les scientifiques ont fait des progrès significatifs dans le développement de cathodes de batterie utilisant une nouvelle classe de matériaux qui fournissent aux batteries une densité d'énergie identique, voire supérieure, à celle des batteries lithium-ion conventionnelles. mais peut être fait de métaux peu coûteux et abondants. Connue sous le nom de DRX, qui signifie des sels minéraux désordonnés avec un excès de lithium, cette nouvelle famille de matériaux a été inventée il y a moins de 10 ans et permet de fabriquer des cathodes sans nickel ni cobalt.

"La batterie lithium-ion classique nous a bien servi, mais alors que nous considérons les demandes futures de stockage d'énergie, sa dépendance à certains minéraux critiques nous expose non seulement aux risques de la chaîne d'approvisionnement, mais également aux problèmes environnementaux et sociaux", a déclaré Ravi Prasher, Directeur de laboratoire associé de Berkeley Lab pour les technologies énergétiques. "Avec les matériaux DRX, cela offre aux batteries au lithium le potentiel d'être la base des technologies de batteries durables pour l'avenir."

La cathode est l'une des deux électrodes d'une batterie et représente plus d'un tiers du coût d'une batterie. Actuellement, la cathode des batteries lithium-ion utilise une classe de matériaux connue sous le nom de NMC, avec du nickel, du manganèse et du cobalt comme ingrédients clés.

"J'ai fait des recherches sur les cathodes pendant plus de 20 ans, à la recherche de nouveaux matériaux, et DRX est de loin le meilleur nouveau matériau que j'aie jamais vu", a déclaré Gerbrand Ceder, scientifique des batteries au Berkeley Lab, qui co-dirige la recherche. "Avec la classe NMC actuelle, qui se limite au nickel, au cobalt et à un composant inactif composé de manganèse, la batterie lithium-ion classique est à la fin de sa courbe de performances à moins que vous ne transfériez vers de nouveaux matériaux de cathode, et c'est ce que le Offres du programme DRX Les matériaux DRX ont une énorme flexibilité de composition, ce qui est très puissant car non seulement vous pouvez utiliser toutes sortes de métaux abondants dans une cathode DRX, mais vous pouvez également utiliser n'importe quel type de métal pour résoudre tout problème qui pourrait survenir pendant les premières étapes de la conception de nouvelles batteries. C'est pourquoi nous sommes si enthousiastes."

Risques liés à la chaîne d'approvisionnement du cobalt et du nickel

Le Département américain de l'énergie (DOE) s'est donné pour priorité de trouver des moyens de réduire ou d'éliminer l'utilisation du cobalt dans les batteries. "L'industrie des batteries est confrontée à une énorme pénurie de ressources", a déclaré Ceder. "Même à 2 TWh, la fourchette inférieure des projections de la demande mondiale, cela consommerait la quasi-totalité de la production de nickel actuelle, et avec le cobalt, nous ne sommes même pas proches. La production de cobalt aujourd'hui n'est que d'environ 150 kilotonnes, et 2 TWh d'énergie par batterie nécessitent 2 000 kilotonnes de nickel et de cobalt dans une certaine combinaison."

De plus, plus des deux tiers de la production mondiale de nickel sont actuellement utilisés pour fabriquer de l'acier inoxydable. Et plus de la moitié de la production mondiale de cobalt provient de la République démocratique du Congo, la Russie, l'Australie, les Philippines et Cuba complétant les cinq principaux producteurs de cobalt.

En revanche, les cathodes DRX peuvent utiliser à peu près n'importe quel métal à la place du nickel et du cobalt. Les scientifiques du laboratoire de Berkeley se sont concentrés sur l'utilisation du manganèse et du titane, qui sont à la fois plus abondants et moins chers que le nickel et le cobalt.

"L'oxyde de manganèse et l'oxyde de titane coûtent moins de 1 dollar le kilogramme, tandis que le cobalt coûte environ 45 dollars le kilogramme et le nickel environ 18 dollars", a déclaré Ceder. "Avec DRX, vous avez la possibilité de créer un stockage d'énergie très peu coûteux. À ce stade, le lithium-ion devient imbattable et peut être utilisé partout - pour les véhicules, le réseau - et nous pouvons vraiment rendre le stockage d'énergie abondant et peu coûteux."

Ordonné vs désordonné

Ceder et son équipe ont développé des matériaux DRX en 2014. Dans les batteries, le nombre et la vitesse des ions lithium capables de se déplacer dans la cathode se traduisent par la quantité d'énergie et de puissance de la batterie. Dans les cathodes conventionnelles, les ions lithium traversent le matériau de la cathode le long de voies bien définies et s'organisent entre les atomes de métaux de transition (généralement du cobalt et du nickel) en couches nettes et ordonnées.

Ce que le groupe de Ceder a découvert, c'est qu'une cathode avec une structure atomique désordonnée pouvait contenir plus de lithium, ce qui signifie plus d'énergie, tout en permettant à une plus large gamme d'éléments de servir de métal de transition. Ils ont également appris que dans ce chaos, les ions lithium peuvent facilement sauter.

En 2018, le bureau des technologies des véhicules du bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE a fourni un financement au laboratoire de Berkeley pour qu'il se plonge "en profondeur" dans les matériaux DRX. En collaboration avec des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge, du laboratoire national du nord-ouest du Pacifique et de l'UC Santa Barbara, les équipes du laboratoire de Berkeley dirigées par Ceder et Guoying Chen ont fait d'énormes progrès dans l'optimisation des cathodes DRX dans les batteries lithium-ion.

Par exemple, le taux de charge - ou la vitesse à laquelle la batterie peut se charger - de ces matériaux était initialement très faible, et sa stabilité était également médiocre. L'équipe de recherche a trouvé des moyens de résoudre ces deux problèmes grâce à la modélisation et à l'expérimentation. Des études sur l'utilisation de la fluoration pour améliorer la stabilité ont été publiées dans Advanced Functional Materials et Matériaux énergétiques avancés; une recherche sur la manière d'activer un taux de charge élevé a récemment été publiée dans Nature Energy .

Étant donné que DRX peut être fabriqué avec de nombreux éléments différents, les chercheurs ont également travaillé sur l'élément qui serait le mieux à utiliser, atteignant le point idéal d'être abondant, peu coûteux et offrant de bonnes performances. "DRX a maintenant été synthétisé avec presque tout le tableau périodique", a déclaré Ceder.

"C'est la science à son meilleur - des découvertes fondamentales qui serviront de base aux systèmes des futures maisons, véhicules et réseaux", a déclaré Noel Bakhtian, directeur du centre de stockage d'énergie de Berkeley Lab. "Ce qui a fait le succès de Berkeley Lab dans l'innovation des batteries depuis des décennies, c'est notre combinaison d'étendue et de profondeur d'expertise - de la découverte fondamentale à la caractérisation, la synthèse et la fabrication, ainsi que les marchés de l'énergie et la recherche sur les politiques. La collaboration est essentielle - nous nous associons avec l'industrie et au-delà pour résoudre des problèmes du monde réel, ce qui contribue à galvaniser la science de pointe que nous réalisons au laboratoire."

Progrès rapides

Les nouveaux matériaux de batterie ont traditionnellement mis 15 à 20 ans à être commercialisés; Ceder pense que les progrès sur les matériaux DRX peuvent être accélérés avec une équipe plus importante. "Nous avons fait de grands progrès au cours des trois dernières années avec la plongée profonde", a déclaré Ceder. "Nous sommes arrivés à la conclusion que nous sommes prêts pour une équipe plus grande, nous pouvons donc impliquer des personnes ayant un ensemble de compétences plus diversifié pour vraiment affiner cela."

Une équipe de recherche élargie pourrait agir rapidement pour résoudre les problèmes restants, notamment l'amélioration de la durée de vie du cycle (ou le nombre de fois où la batterie peut être rechargée et déchargée au cours de sa durée de vie) et l'optimisation de l'électrolyte, le milieu chimique qui permet le flux de charge électrique. entre la cathode et l'anode. Depuis qu'il a été développé dans le laboratoire de Ceder, des groupes en Europe et au Japon ont également lancé de vastes programmes de recherche DRX.

« Les avancées dans les technologies des batteries et le stockage de l'énergie nécessiteront des percées continues dans la science fondamentale des matériaux », a déclaré Jeff Neaton, directeur associé du laboratoire de Berkeley Lab pour les sciences de l'énergie. « L'expertise, les installations uniques et les capacités de Berkeley Lab en matière d'imagerie, de calcul et de synthèse avancés nous permettent d'étudier des matériaux à l'échelle des atomes et des électrons. Nous sommes bien placés pour accélérer le développement de matériaux prometteurs comme DRX pour l'énergie propre.