Les batteries sans cobalt pourraient alimenter les voitures du futur.

20 janvier 2024

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par Anne Trafton, Massachusetts Institute of Technology

De nombreux véhicules électriques sont alimentés par des batteries contenant du cobalt - un métal qui entraîne des coûts financiers, environnementaux et sociaux élevés.

Des chercheurs du MIT ont conçu un matériau de batterie qui pourrait offrir un moyen plus durable de propulser les voitures électriques. La nouvelle batterie au lithium-ion comprend une cathode à base de matières organiques, plutôt que de cobalt ou de nickel (un autre métal couramment utilisé dans les batteries au 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. Les chercheurs rapportent également que la nouvelle batterie a une capacité de stockage comparable et peut se recharger plus rapidement que les batteries au cobalt.

'Je pense que ce matériau pourrait avoir un grand impact car il fonctionne vraiment bien', déclare Mircea Dincă, professeur d'énergie à MIT. 'Il est déjà compétitif par rapport aux technologies existantes et peut permettre de réduire considérablement le coût, la souffrance et les problèmes environnementaux liés à l'exploitation minière des métaux actuellement utilisés dans les batteries.'

Dincă est l'auteur principal de l'étude, qui est publiée aujourd'hui (18 janvier) dans le journal ACS Central Science. Tianyang Chen Ph.D. '23 et Harish Banda, ancien post-doctorant du MIT, sont les auteurs principaux de l'article. Les autres auteurs incluent Jiande Wang, un post-doctorant du MIT, Julius Oppenheim, un étudiant diplômé du MIT, et Alessandro Franceschi, un chercheur à l'Université de Bologne.

La plupart des voitures électriques sont alimentées par des batteries au lithium-ion, un type de batterie qui se recharge lorsque les ions lithium se déplacent d'une électrode à charge positive, appelée cathode, vers une électrode à charge négative, appelée anode. Dans la plupart des batteries au lithium-ion, la cathode contient du cobalt, un métal qui offre une grande stabilité et une grande densité énergétique.

Cependant, le cobalt présente des inconvénients importants. Métal rare, son prix peut fluctuer considérablement et une grande partie des gisements mondiaux de cobalt se trouvent 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 environnant les mines.

'Les batteries au cobalt peuvent stocker beaucoup d'énergie et elles présentent toutes les caractéristiques que les gens apprécient en termes de performance, mais elles ne sont pas largement disponibles et leur coût fluctue largement en fonction du prix des matières premières. Et, à mesure que la proportion de véhicules électrifiés sur le marché des consommateurs augmente considérablement, cela va certainement devenir plus cher,' explique Dincă.

En raison des nombreux inconvénients du cobalt, de nombreuses recherches ont été menées pour tenter de développer des matériaux de batterie alternatifs. Un de ces matériaux est le phosphate de lithium-fer (LFP), que certains constructeurs automobiles commencent à utiliser dans les véhicules électriques. Bien que pratiquement utilisable, le LFP n'a qu'environ la moitié de la densité énergétique des batteries au cobalt et au nickel.

Une autre option attrayante est les matériaux organiques, mais jusqu'à présent, la plupart de ces matériaux n'ont pas été en mesure de rivaliser avec la conductivité, la capacité de stockage et la durée de vie des batteries contenant du cobalt. En raison de leur faible conductivité, de tels 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 pour cent du matériau global, réduisent la capacité de stockage de la batterie.

Il y a environ six ans, le laboratoire de Dincà a commencé à travailler sur un projet, financé par Lamborghini, visant à développer une batterie organique pouvant être utilisée pour alimenter les voitures électriques. Tout en travaillant sur des matériaux poreux qui étaient en partie organiques et en partie inorganiques, Dincà et ses étudiants se sont rendu compte qu'un matériau entièrement organique qu'ils avaient fabriqué semblait être un bon conducteur.

Ce matériau se compose de nombreuses couches de TAQ (bis-tétraaminobenzoquinone), une petite molécule organique contenant trois anneaux hexagonaux fusionnés. Ces couches peuvent s'étendre dans toutes les directions, formant une structure similaire à celle du graphite. Au sein des molécules se trouvent des groupes chimiques appelés quinones, qui sont les réservoirs d'électrons, et des amines, qui aident le matériau à former des liaisons hydrogène solides.

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 de batterie organiques, prolongeant ainsi sa durée de vie.

'One of the main methods of degradation for organic materials is that they simply dissolve into the battery electrolyte and cross over to the other side of the battery, essentially creating a short circuit. If you make the material completely insoluble, that process doesn't happen, so we can go to over 2,000 charge cycles with minimal degradation,' Dincă says.

Tests of this material showed that its conductivity and storage capacity were comparable to that of traditional cobalt-containing batteries. Also, batteries with a TAQ cathode can be charged and discharged faster than existing batteries, which could speed up the charging rate for electric vehicles.

To stabilize the organic material and increase its ability to adhere to the battery's current collector, which is made of copper or aluminum, the researchers added filler materials such as cellulose and rubber. These fillers make up less than one-tenth of the overall cathode composite, so they don't significantly reduce the battery's storage capacity.

These fillers also extend the lifetime of the battery cathode by preventing it from cracking when lithium ions flow into the cathode as the battery charges.

The primary materials needed to manufacture this type of cathode are a quinone precursor and an amine precursor, which are already commercially available and produced in large quantities as commodity chemicals. The researchers estimate that the material cost of assembling these organic batteries could be about one-third to one-half the cost of cobalt batteries.

Lamborghini has licensed the patent on the technology. Dincă's lab plans to continue developing alternative battery materials and is exploring possible replacement of lithium with sodium or magnesium, which are cheaper and more abundant than lithium.

Journal information: ACS Central Science

Provided by Massachusetts Institute of Technology

This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovation and teaching.