Les chercheurs ont développé une architecture de batterie sans cobalt qui, espèrent-ils, pourra un jour être utilisée pour alimenter les véhicules électriques
Le cobalt joue un rôle important dans les performances des piles au lithium actuelles, bien que l’extraction de ce matériau expose les travailleurs à des conditions dangereuses et dégrade souvent les paysages naturels et les réserves d’eau. Afin de faciliter l’abandon de ce métal rare et coûteux, les scientifiques du Oak Ridge National Laboratory ont mis au point une architecture de batterie alternative à base de nickel, qui, selon eux, coche quelques cases importantes.
Avec le nickel et l’aluminium, le cobalt est utilisé pour fabriquer la cathode des piles au lithium actuelles mais, en raison de sa rareté, il représente environ la moitié des coûts matériels de l’ensemble de l’appareil. Ceci, combiné aux préoccupations environnementales et humanitaires décrites ci-dessus, signifie que des efforts considérables sont déployés pour le développement d’architectures alternatives, et qu’il existe des possibilités prometteuses à l’horizon.
IBM travaille sur une batterie au lithium qui élimine le cobalt et d’autres métaux lourds et utilise des ingrédients provenant de l’eau de mer à la place, tandis que Tesla a commencé à vendre des modèles 3 sans cobalt en Chine. Nous avons également vu des scientifiques se tourner vers le phosphate de fer et de lithium comme alternative, et ajouter du manganèse à la place du cobalt pour augmenter la densité énergétique en même temps.
L’équipe du laboratoire national d’Oak Ridge travaille sur une nouvelle classe de cathodes qu’elle appelle NFA, qui signifie cathodes à base de nickel, de fer et d’aluminium. Il s’agit d’un dérivé du nickelate de lithium, que les scientifiques étudient depuis un certain temps en tant que matériau de cathode, mais ils n’ont pas réussi à trouver la bonne recette.
« Le nickelate de lithium a longtemps été recherché comme matériau de choix pour la fabrication des cathodes, mais il souffre d’instabilités structurelles et électrochimiques intrinsèques », explique le responsable de la recherche, Ilias Belharouak. « Dans le cadre de nos recherches, nous avons remplacé une partie du nickel par du fer et de l’aluminium pour améliorer la stabilité de la cathode. Le fer et l’aluminium sont des matériaux rentables, durables et respectueux de l’environnement ».
Les essais de la nouvelle cathode effectués par l’équipe ont démontré une grande capacité et la possibilité de conserver 88 % de cette capacité après 100 cycles. Les chercheurs ont également construit une pile à poche basée sur sa cathode NFA et ont constaté que, malgré un compromis sur la stabilité, elle conservait 72 % de sa capacité après 200 cycles.
Bien que les chercheurs décrivent ces résultats comme étant seulement préliminaires, ils pensent que la conception est de bon augure pour une future batterie sans cobalt, avec une cathode dont les performances sont similaires à celles des batteries traditionnelles, sans impliquer de matériaux rares et coûteux. Ils notent également que la technique de fabrication peut être intégrée dans les processus de fabrication de cathodes au niveau mondial, et vont maintenant étudier les performances de la cathode dans des cellules de plus grand format et le potentiel d’utilisation dans les véhicules électriques.
« Nos recherches sur le comportement de charge et de décharge des NFA ont montré que ces cathodes subissent des réactions électrochimiques similaires à celles des cathodes à base de cobalt et offrent des capacités spécifiques suffisamment élevées pour répondre aux demandes de densité énergétique des batteries », explique Ilias Belharouak.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775320306935?via%3Dihub
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202002960
