Des scientifiques ont mis au point un nouveau type de batterie organique qui pourrait accroître l’autonomie des véhicules électriques.

Si, à première vue, les batteries au lithium qui alimentent les véhicules électriques jouent un rôle important dans notre transition vers des transports durables, elles ne sont pas sans poser de problèmes environnementaux. Les batteries qui utilisent des matériaux organiques et facilement disponibles à la place des métaux rares sont considérées comme une partie prometteuse de la solution à ce dilemme, et une nouvelle recherche menée par des scientifiques de l’université de Houston montre comment les performances de ces dispositifs écologiques pourraient être améliorées.

La demande d’appareils électroniques et de véhicules ne cesse de croître, tout comme la dépendance aux batteries lithium-ion qui reposent sur des métaux rares. Au cœur de ce dilemme se trouve le cobalt, dont l’extraction est non seulement associée à la dégradation de l’environnement et à la pollution des réserves d’eau, mais aussi à des problèmes éthiques tels que l’exploitation du travail des enfants. L’utilisation de ces métaux rend également difficile le recyclage des piles en fin de vie.

Cependant, nous assistons à des progrès intéressants dans le développement de batteries qui se passent de ces types de matériaux et utilisent des matériaux organiques à la place. Il s’agit notamment de batteries à base organique qui peuvent se décomposer dans l’acide pour être recyclées, d’un recours accru au nickel, moins cher et plus respectueux de l’environnement, et même d’une batterie d’IBM qui utilise des matériaux présents dans l’eau de mer.

Le nouveau dispositif associe cette architecture organique à une autre branche prometteuse de la recherche sur les batteries, axée sur l’utilisation d’électrolytes à l’état solide. Les batteries classiques déplacent leur charge électrique entre deux électrodes, une cathode et une anode, dans une solution d’électrolyte liquide, mais les scientifiques font de grandes percées dans des conceptions alternatives qui utilisent plutôt un électrolyte solide. Ce type d’architecture pourrait également permettre aux batteries de fonctionner avec une anode en lithium métallique, ce qui pourrait permettre de stocker jusqu’à 10 fois l’énergie des dispositifs actuels.

Les scientifiques à l’origine de la nouvelle batterie ont résolu ce qu’ils considèrent comme une limitation majeure des batteries au lithium à l’état solide et à base organique. Alors que les cathodes à base de cobalt offrent à ces batteries une densité d’énergie élevée, celles fabriquées à partir de matériaux organiques souffrent d’une densité d’énergie limitée, qui, selon l’équipe, est due aux structures microscopiques de la cathode.

« Les cathodes à base de cobalt sont souvent privilégiées car leur microstructure est naturellement idéale, mais la formation d’une microstructure idéale dans une batterie solide à base organique est plus difficile », explique Jibo Zhang, auteur de l’étude.

Les scientifiques ont pu augmenter la densité énergétique d’une batterie solide organique grâce à un solvant à base d’éthanol.

Travaillant avec une cathode fabriquée à partir d’un matériau organique appelé pyrène-4,5,9,10-tétraone (PTO), les scientifiques ont utilisé l’éthanol comme solvant pour modifier sa microstructure. Ce traitement a donné lieu à une nouvelle disposition qui a permis un meilleur transport des ions à l’intérieur de la cathode et a fait grimper sa densité d’énergie à 302 Wh/kg, ce qui, selon l’équipe, est 83 % plus élevé que les batteries à l’état solide actuelles avec des cathodes organiques.

« Nous développons des matériaux de cathode organiques à faible coût, abondants sur terre et sans cobalt pour une batterie solide qui ne nécessitera plus de métaux de transition rares trouvés dans les mines », explique Jibo Yao. « Cette recherche est un pas en avant dans l’augmentation de la densité énergétique des batteries de VE en utilisant cette alternative plus durable. »

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00252-X

https://uh.edu/news-events/stories/2021/june-2021/ev-battery.php