La dernière étude de l'Oregon State University présente le fer comme matériau cathodique viable et rentable pour les batteries lithium-ion, réduisant potentiellement la dépendance à l'égard de métaux coûteux comme le cobalt et le nickel tout en améliorant la sécurité et la durabilité des batteries. Crédit : Issues.fr
Une nouvelle recherche introduit une cathode à base de fer pour les batteries lithium-ion, offrant des coûts inférieurs et une sécurité supérieure par rapport aux matériaux traditionnels.
Une initiative collaborative codirigée par Xiulei « David » Ji, chercheur en chimie à l’Université d’État de l’Oregon, introduit le fer comme matériau de cathode viable et durable pour les batteries lithium-ion, remplaçant potentiellement des matériaux coûteux comme le cobalt et le nickel. Cette innovation promet une densité énergétique plus élevée, des coûts nettement inférieurs et une sécurité renforcée. L'abondance du fer assure un approvisionnement constant, faisant de ce développement une étape cruciale vers une technologie de batterie plus durable.
La recherche, détaillée dans une publication récente dans Avancées scientifiques, est important pour plusieurs raisons. Ji explique : « Nous avons transformé la réactivité du fer métallique, le métal le moins cher. Notre électrode peut offrir une densité énergétique plus élevée que les matériaux cathodiques de pointe des 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, indispensables dans les batteries lithium-ion à haute énergie actuelles – le coût de nos batteries est potentiellement bien inférieur.
Avantages économiques et environnementaux des cathodes à base de fer
Actuellement, la cathode représente la moitié du coût de production d’une cellule de batterie lithium-ion. Les cathodes à base de fer pourraient non seulement réduire les coûts, mais également améliorer la sécurité et la durabilité des batteries. Avec la demande croissante de batteries lithium-ion pour alimenter les véhicules électriques, l’offre mondiale de nickel et de cobalt est de plus en plus tendue, et les pénuries anticipées menacent la production future.
De plus, la densité énergétique de ces éléments est déjà étendue jusqu'au niveau du plafond. Si on pousse plus loin, l'oxygène libéré pendant la charge pourrait provoquer l'inflammation des batteries. De plus, le cobalt est toxique, ce qui signifie qu’il peut contaminer les écosystèmes et les sources d’eau s’il s’échappe des décharges.
Mettez tout cela ensemble, a déclaré Ji, et il est facile de comprendre la quête mondiale de nouvelles chimies de batteries plus durables.
Une collaboration codirigée par David Ji, chercheur en chimie à l'Université d'État de l'Oregon, espère déclencher une révolution des batteries vertes en montrant que le fer, au lieu du cobalt et du nickel, peut être utilisé comme matériau cathodique dans les batteries lithium-ion. Crédit : Xiulei « David » Ji, Université d’État de l’Oregon
Comprendre les composants et la fonction de la batterie
Une batterie stocke l’énergie sous forme d’énergie chimique et, par des réactions, la convertit en énergie électrique nécessaire pour alimenter les véhicules, les ordinateurs portables et autres appareils et machines. Il existe plusieurs 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 se rassemblent à la cathode.
Dans une batterie lithium-ion, comme son nom l'indique, une charge est transportée via les ions lithium lorsqu'ils se déplacent à travers l'électrolyte de l'anode à la cathode pendant la décharge, puis inversement pendant la recharge.
« Notre cathode à base de fer ne sera pas limitée par une pénurie de ressources », a déclaré Ji, expliquant que le fer, en plus d'être l'élément le plus répandu 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 se transformera pas en géante rouge. »
Une conception chimique innovante améliore la réactivité du fer
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 fluor et phosphate – des ions chargés négativement.
Le mélange, soigneusement mélangé sous forme de 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 de matériaux contenant des anions peut dépasser le plafond de densité énergétique pour des batteries plus durables et moins coûteuses », a déclaré Ji. « Nous n'utilisons pas de sel plus coûteux en combinaison avec du fer, mais uniquement ceux utilisés par l'industrie des batteries, puis de la poudre de fer. Pour mettre cette nouvelle cathode en application, 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 remplaçons juste une chose, la cathode.
Perspectives futures et impact environnemental
L'efficacité du stockage doit encore être améliorée, a déclaré Ji. À l’heure actuelle, toute l’électricité introduite dans la batterie pendant la charge n’est pas disponible pour être utilisée une fois déchargée. Lorsque ces améliorations seront apportées, et Ji espère qu’elles le seront, le résultat sera une batterie qui fonctionnera bien mieux que celles actuellement utilisées tout en coûtant moins cher et en étant plus écologique.
« S'il y a des investissements dans cette technologie, elle ne devrait pas tarder à être disponible sur le marché », a déclaré Ji. « Nous avons besoin des visionnaires de l’industrie pour allouer des ressources à ce domaine émergent. Le monde peut avoir une industrie cathodique basée sur un métal presque gratuit comparé au cobalt et au nickel. Et même s’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 vous le laissez tomber. »
Le programme des sciences fondamentales de l'énergie du ministère américain de l'Énergie a financé cette recherche, codirigée par Tongchao Liu du Laboratoire national d'Argonne et incluant également Mingliang Yu, Min Soo Jung et Sean Sandstrom de l'État de l'Oregon. Des scientifiques de l’Université Vanderbilt, de l’Université Stanford, de l’Université du Maryland, du Laboratoire national Lawrence Berkeley et du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC ont également contribué.
