60% de densité d’énergie en plus : la promesse des nouvelles batteries sans cobalt

Les batteries rechargeables de grande capacité et fiables sont un composant essentiel de nombreux appareils et même de modes de transport. Elles jouent un rôle clé dans la transition vers un monde plus vert. Une grande variété d’éléments sont utilisés dans leur production comme le cobalt, dont la production contribue à certains problèmes environnementaux, économiques et sociaux.

Pour la première fois, une équipe comprenant des chercheurs de l’Université de Tokyo présente une alternative viable au cobalt qui, à certains égards, peut surpasser la chimie des batteries de pointe. Elle survit également à un grand nombre de cycles de recharge, et la théorie sous-jacente peut être appliquée à d’autres problèmes.

Le rôle des batteries dans notre monde moderne

Il y a de fortes chances que vous lisiez cet article sur un ordinateur portable ou un smartphone, et si ce n’est pas le cas, vous possédez probablement au moins l’un de ces appareils.

À l’intérieur de l’un ou l’autre de ces dispositifs, et de nombreux autres, vous trouverez une batterie lithium-ion (LIB). Depuis des décennies, les LIB sont le moyen standard d’alimenter les appareils et machines électroniques portables ou mobiles.

Alors que le monde passe des combustibles fossiles, elles sont considérées comme une étape importante pour leur utilisation dans les voitures électriques et les batteries domestiques pour ceux qui ont des panneaux solaires.

Les défis des batteries actuelles

Cependant, tout comme les batteries ont une extrémité positive et une extrémité négative, les LIB ont des points négatifs contre leurs points positifs. D’une part, bien qu’elles soient parmi les sources d’énergie portables les plus denses en énergie disponibles, beaucoup de gens souhaitent que les LIB puissent produire une densité d’énergie plus grande pour qu’elles durent plus longtemps ou alimentent des machines encore plus exigeantes.

De plus, elles peuvent survivre à un grand nombre de cycles de recharge, mais elles se dégradent également avec le temps ; il serait préférable pour tout le monde que les batteries puissent survivre à plus de cycles de recharge et maintenir leurs capacités plus longtemps.

Le problème du cobalt

Mais peut-être que le problème le plus alarmant avec les LIB actuelles réside dans l’un des éléments utilisés pour leur construction. Le cobalt est largement utilisé pour une partie clé des LIB, les électrodes. Toutes les batteries fonctionnent de manière similaire : deux électrodes, une positive et une négative, favorisent le flux d’ions lithium entre elles dans ce qu’on appelle l’électrolyte lorsqu’elles sont connectées à un circuit externe.

Le cobalt est un élément rare ; si rare en fait qu’il n’y a qu’une seule source principale à l’heure actuelle : une série de mines situées en République démocratique du Congo. De nombreux problèmes ont été signalés au fil des ans concernant les conséquences environnementales de ces mines, ainsi que les conditions de travail sur place et l’utilisation du travail des enfants. D’un point de vue de l’approvisionnement également, la source de cobalt est un problème en raison de l’instabilité politique et économique dans la région.

Une alternative au cobalt

« Il y a de nombreuses raisons pour lesquelles nous voulons nous éloigner de l’utilisation du cobalt afin d’améliorer les batteries lithium-ion », a déclaré le professeur Atsuo Yamada du département d’ingénierie des systèmes chimiques. « Pour nous, le défi est technique, mais son impact pourrait être environnemental, économique, social et technologique. Nous sommes heureux de signaler une nouvelle alternative au cobalt en utilisant une combinaison novatrice d’éléments dans les électrodes, y compris le lithium, le nickel, le manganèse, le silicium et l’oxygène – tous des éléments beaucoup plus courants et moins problématiques à produire et à travailler. »

Les nouvelles électrodes et l’électrolyte

Les nouvelles électrodes et l’électrolyte que le Professeur Yamada et son équipe ont créés ne sont pas seulement dépourvus de cobalt, mais ils améliorent en fait la chimie des batteries actuelles à certains égards.

La densité d’énergie des nouvelles LIB est environ 60% plus élevée, ce qui pourrait se traduire par une durée de vie plus longue, et elle peut délivrer 4,4 volts, par rapport à environ 3,2-3,7 volts des LIB typiques.

Mais l’une des réalisations technologiques les plus surprenantes a été d’améliorer les caractéristiques de recharge. Les batteries de test avec la nouvelle chimie ont pu se charger et se décharger complètement sur plus de 1 000 cycles (simulant trois ans d’utilisation et de charge complètes), tout en ne perdant que 20% de leur capacité de stockage.

En synthèse

Les recherches sur les applications des LIB, et les concepts qui sous-tendent leur récente découverte, peuvent être appliqués à d’autres processus et dispositifs électrochimiques, y compris d’autres types de batteries, la division de l’eau (pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène), la fusion des minerais, l’électro-revêtement et plus encore.

Cette avancée représente une étape importante dans la résolution des problèmes environnementaux, économiques et sociaux associés à l’utilisation du cobalt dans les batteries, tout en améliorant la performance et la durabilité des batteries lithium-ion.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le cobalt et pourquoi est-il utilisé dans les batteries lithium-ion ?

Le cobalt est un élément chimique utilisé dans la fabrication des électrodes de batteries lithium-ion en raison de sa capacité à favoriser le flux d’ions lithium. Cependant, sa production pose des problèmes environnementaux, économiques et sociaux.

Quels sont les problèmes associés à l’utilisation du cobalt dans les batteries ?

Le cobalt est un élément rare, principalement extrait en République démocratique du Congo. Les mines de cobalt ont été associées à des problèmes environnementaux, à des conditions de travail difficiles et à l’utilisation du travail des enfants. De plus, l’instabilité politique et économique de la région pose des problèmes d’approvisionnement.

Quelle est l’alternative au cobalt proposée par les chercheurs de l’Université de Tokyo

Les chercheurs ont développé une nouvelle chimie de batterie qui utilise une combinaison d’éléments plus courants et moins problématiques, notamment le lithium, le nickel, le manganèse, le silicium et l’oxygène.

Quels sont les avantages de cette nouvelle chimie de batterie ?

Les nouvelles batteries ont une densité d’énergie environ 60% plus élevée et peuvent délivrer 4,4 volts, contre environ 3,2-3,7 volts pour les batteries lithium-ion typiques. De plus, elles peuvent se charger et se décharger complètement sur plus de 1 000 cycles, tout en ne perdant que 20% de leur capacité de stockage.

Quelles autres applications pourraient bénéficier de cette découverte ?

Les concepts qui sous-tendent cette découverte pourraient être appliqués à d’autres processus et dispositifs électrochimiques, y compris d’autres types de batteries, la division de l’eau (pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène), la fusion des minerais, l’électro-revêtement et plus encore.

Légende illustration principale : Chargée et prête à fonctionner. En remplaçant le cobalt, problématique et rare, par des éléments plus sûrs et plus abondants, les chercheurs atténuent certains problèmes liés aux batteries actuelles. En outre, la nouvelle chimie des batteries permet d’obtenir une plus grande densité énergétique pour un poids et un volume de batterie équivalents, ce qui pourrait s’avérer très utile dans des applications telles que les voitures électriques. ©2023 Yamada et al. CC-BY-ND

Article : « Electrolyte design for lithium-ion batteries with cobalt free cathode and silicon oxide anode » – DOI: 10.1038/s41893-023-01237-y