Et si un élément commun, plutôt que des éléments rares et coûteux, était un composant clé des batteries des voitures électriques ?
Le fer pourrait être la clé de batteries lithium-ion moins coûteuses et plus écologiques
Une collaboration codirigée par un chercheur en chimie de l'université d'État de l'Oregon espère déclencher une révolution verte dans le domaine des batteries en montrant que le fer, au lieu du cobalt et du nickel, peut être utilisé comme matériau de cathode dans les batteries au lithium-ion.
Une collaboration codirigée par David Ji, chercheur en chimie à l'université d'État de l'Oregon, espère déclencher une révolution verte dans le domaine des batteries en montrant que le fer, au lieu du cobalt et du nickel, peut être utilisé comme matériau de cathode dans les batteries lithium-ion.
Image provided by Xiulei "David" Ji, Oregon State University
Les résultats, publiés dans Science Advances, sont importants pour de multiples raisons, note Xiulei "David" Ji, de l'université d'État de l'Oregon.
"Nous avons transformé la réactivité du fer, le métal le moins cher", explique-t-il. "Notre électrode peut offrir une densité énergétique plus élevée que les matériaux cathodiques de pointe utilisés dans les véhicules électriques. Et comme nous utilisons du fer, dont le coût peut être inférieur à un dollar par kilogramme - une petite fraction du nickel et du cobalt, qui sont indispensables dans les batteries lithium-ion actuelles à haute énergie - le coût de nos batteries est potentiellement beaucoup plus bas."
À l'heure actuelle, la cathode représente 50 % du coût de fabrication d'une cellule de batterie lithium-ion, a déclaré M. Ji. Au-delà de l'aspect économique, les cathodes à base de fer permettraient d'améliorer la sécurité et la durabilité, a-t-il ajouté.
La fabrication d'un nombre croissant de batteries lithium-ion pour électrifier le secteur des transports a fait grimper en flèche la demande mondiale de nickel et de cobalt. M. Ji souligne que d'ici quelques décennies, les pénuries prévues de nickel et de cobalt mettront un frein à la production de batteries telle qu'elle se fait actuellement.
En outre, la densité énergétique de ces éléments est déjà poussée à son maximum - si elle était poussée plus loin, l'oxygène libéré pendant la charge pourrait provoquer l'inflammation des batteries - et le cobalt est toxique, ce qui signifie qu'il peut contaminer les écosystèmes et les sources d'eau s'il s'échappe des décharges.
Si l'on met tout cela bout à bout, explique M. Ji, on comprend aisément la quête mondiale de nouvelles chimies de batteries plus durables.
Une batterie stocke l'énergie sous forme d'énergie chimique et, par le biais de réactions, la convertit en énergie électrique nécessaire pour alimenter les véhicules ainsi que les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et de nombreux autres appareils et machines. Il existe de nombreux types de batteries, mais la plupart d'entre elles fonctionnent de la même manière et contiennent les mêmes composants de base.
Une batterie se compose de deux électrodes - l'anode et la cathode, généralement constituées de matériaux différents - ainsi que d'un séparateur et d'un électrolyte, un milieu chimique qui permet la circulation de la charge électrique. Pendant la décharge de la batterie, les électrons circulent de l'anode vers un circuit externe, puis s'accumulent à la cathode.
Dans une batterie lithium-ion, comme son nom l'indique, la charge est transportée par les ions lithium qui se déplacent dans l'électrolyte de l'anode à la cathode pendant la décharge, et inversement pendant la recharge.
"Notre cathode à base de fer ne sera pas limitée par une pénurie de ressources", a déclaré M. Ji, expliquant que le fer, en plus d'être l'élément le plus commun sur Terre en termes de masse, est le quatrième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. "Nous ne manquerons pas de fer tant que le soleil ne sera pas devenu une géante rouge.
M. Ji et ses collaborateurs de plusieurs universités et laboratoires nationaux ont augmenté la réactivité du fer dans leur cathode en concevant un environnement chimique basé sur un mélange d'anions fluorés et phosphatés - des ions chargés négativement.
Ce mélange, qui se présente sous la forme d'une solution solide, permet la conversion réversible - ce qui signifie que la batterie peut être rechargée - d'un fin mélange de poudre de fer, de fluorure de lithium et de phosphate de lithium en sels de fer.
"Nous avons démontré que la conception des matériaux avec des anions peut briser le plafond de la densité énergétique pour des batteries plus durables et moins coûteuses", a déclaré M. Ji. "Nous n'utilisons pas de sels plus coûteux en conjonction avec le fer, mais simplement ceux que l'industrie des batteries utilise et de la poudre de fer. Pour appliquer cette nouvelle cathode, il n'y a rien d'autre à changer : pas de nouvelles anodes, pas de nouvelles lignes de production, pas de nouvelle conception de la batterie. Nous ne remplaçons qu'un seul élément, la cathode".
L'efficacité du stockage doit encore être améliorée, a déclaré M. Ji. À l'heure actuelle, toute l'électricité injectée dans la batterie pendant la charge n'est pas disponible au moment de la décharge. Lorsque ces améliorations seront apportées, et M. Ji s'attend à ce qu'elles le soient, il en résultera une batterie qui fonctionnera beaucoup mieux que les batteries actuellement utilisées, tout en étant moins coûteuse et plus écologique.
"Si l'on investit dans cette technologie, elle ne devrait pas tarder à être commercialisée", a déclaré M. Ji. "Nous avons besoin que les visionnaires de l'industrie allouent des ressources à ce domaine émergent. Le monde peut disposer d'une industrie des cathodes basée sur un métal presque gratuit par rapport au cobalt et au nickel. Et alors qu'il faut travailler très dur pour recycler le cobalt et le nickel, il n'est même pas nécessaire de recycler le fer - il se transforme simplement en rouille si on le laisse aller."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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