Batteries : décryptage de la recherche sur les cathodes lithium-ion

Considérez l’humble batterie rechargeable : de nombreuses personnes commencent leur journée en débranchant leur téléphone d’un chargeur pour consulter la météo ou se rendre au travail, ou en lançant leur podcast favori. Elles termineront la journée en rebranchant leur téléphone pour le charger toute la nuit.

Ce cycle représente des décennies de recherche sur les batteries pionnière ici même à l’Université du Texas à Austin. Sans la petite batterie lithium-ion, dense en énergie et sûre, notre routine matinale serait très différente.

« Même si vous découvrez d’autres technologies de batteries, les batteries lithium-ion seront toujours là », affirme Arumugam Manthiram, professeur au Walker Department of Mechanical Engineering. Il travaille sur la chimie qui se produit à l’intérieur des batteries à la Cockrell School depuis 1986. « Elle pourrait être remplacée… mais ce sera un processus lent, si cela arrive un jour. »

Sa dernière recherche, publiée dans Nature Energy, explore un cadre qui pourrait être utilisé pour faire progresser une partie cruciale des batteries lithium-ion. Environ 75% du coût des batteries lithium-ion provient des matériaux, et la majorité de ces batteries utilisent des cathodes en oxyde coûteuses. C’est le problème que Manthiram et ses étudiants attaquent : comment commencer à rendre ces cathodes en oxyde plus efficaces ?

Les ingénieurs du Texas travaillent déjà sur la création de batteries à partir de matériaux plus abondants – et plus écologiques – comme le soufre ou le sodium, mais cette technologie en est encore au stade du prototype. Bien que prometteuse, « c’est une chose de faire quelque chose en laboratoire, et c’en est une autre de le fabriquer, de le mettre dans votre main et de l’utiliser », souligne Manthiram.

Pourquoi la recherche fondamentale

Les batteries lithium-ion dominent le marché des rechargeables pour leur sécurité, leur rapport puissance/poids et leur long cycle de vie, synonyme de fiabilité à long terme. Le marché des batteries lithium-ion a été estimé à 60 milliards de dollars en 2024. Ce chiffre devrait tripler dans la prochaine décennie à mesure que la demande pour des véhicules électriques plus efficaces et le stockage d’énergie augmentent.

Pourtant, l’approvisionnement en matériaux nécessaires à ces batteries devient plus difficile, et non plus facile, car les perturbations de la chaîne d’approvisionnement dues aux conflits locaux, à la politique ou aux causes environnementales deviennent plus courantes.

Une cathode, l’électrode chargée positivement, est l’un des trois composants essentiels d’une batterie. C’est aussi le plus cher, représentant généralement la moitié du coût total des matériaux d’une batterie. La cathode est composée de nickel, mais aussi de lithium et de cobalt, des minéraux extraits si vulnérables aux perturbations de la chaîne d’approvisionnement.

Comprendre comment ces matériaux se mélangent est crucial pour répondre à la demande future du marché, maintenir les coûts bas et garantir la sécurité.

« Cela implique beaucoup de connaissances fondamentales. C’est là que j’interviens », explique Manthiram, « La cathode nécessite beaucoup de connaissances fondamentales en chimie et en physique pour qu’elle se comporte correctement en ingénierie. »

Manthiram a travaillé en étroite collaboration avec le lauréat du prix Nobel John Goodenough à Cockrell, à qui l’on attribue l’invention des matériaux de cathode pour les batteries lithium-ion dans les années 1980, ce qui a révolutionné nos routines matinales.

Aujourd’hui, il travaille avec ses propres étudiants et postdoctorants « merveilleux » pour faire avancer la technologie.

L’article de Nature décortique les complexités des cathodes en oxyde et comment les ensembles de données d’apprentissage automatique peuvent devenir précieux pour accélérer le développement des batteries futures.

Manthiram identifie trois facteurs de la cathode en oxyde qui contrôlent son comportement et ses propriétés : la configuration électronique (ou comment les électrons sont arrangés dans les atomes du matériau), la liaison chimique et la réactivité chimique. Chacune de ces parties individuelles de l’équation d’une cathode affecte les performances de la batterie.

Différentes liaisons chimiques peuvent modifier la tension de fonctionnement et altérer la stabilité thermique et la sécurité. La réactivité chimique peut affecter la génération de gaz et la stabilité du cycle. La configuration électronique peut déterminer quels matériaux doivent ou ne doivent pas être regroupés. Même un élément aussi stable que le fer peut avoir des effets négatifs lorsqu’il est associé au lithium dans une cathode en oxyde.

Cela représente beaucoup de données à gérer. Comprendre bien l’influence de ces facteurs prendrait des années de recherche et des ressources significatives, mais l’industrie des matériaux au sens large forme déjà des algorithmes d’apprentissage automatique pour aider les expérimentateurs dans leur travail.

« Vous ne pouvez pas dépendre uniquement de l’apprentissage automatique ou de l’intelligence artificielle. Vous avez aussi besoin de l’intervention humaine. Cela signifie que quoi qu’il en ressorte, nous devons bien comprendre ce que c’est. »

Pourquoi l’IA compte à la frontière des matériaux

Il existe déjà des exemples d’IA utilisée pour exploiter d’énormes ensembles de données et prédire des pistes prometteuses pour les chercheurs. Le projet GNoME de Google DeepMind a prédit 528 nouveaux composés qui pourraient potentiellement être des conducteurs lithium-ion. Il y a certains débats sur le degré de nouveauté ou d’utilité de ces composés, mais c’est là que l’expertise scientifique devient primordiale.

Le groupe de Manthiram utilise les installations du Texas Materials Institute pour mener des expériences de caractérisation, qui créent des ensembles de données complexes que l’IA formée par le groupe peut ensuite analyser. Ensuite, les expériences sont refaites, répétant le cycle de création de données pour entraîner un modèle d’apprentissage automatique à prédire les matériaux sur lesquels expérimenter.

« Nous inventons les matériaux ; nous inventons le processus dans les laboratoires universitaires ; et ensuite, [l’industrie] doit le mettre à l’échelle et le mettre en œuvre », déclare Manthiram.

Faire avancer la technologie, réduire la quantité de cobalt utilisée, surmonter les problèmes d’instabilité dus à une plus grande quantité de nickel dans le mélange. Ce sont toutes des solutions à petite échelle pour un grand défi qui affecte tout le monde.

« Je dis à mes étudiants, nous apprenons tous. C’est l’attitude que j’ai. »

Manthiram espère que cet article s’appuie sur un cadre éducatif et pousse les chercheurs vers une meilleure compréhension des cathodes, ce qui accélérerait à son tour le développement tout en réduisant les problèmes de sécurité.

Article : Chemical factors controlling the behaviour of oxide cathodes in batteries – Journal : Nature Energy – DOI : Lien vers l’étude

Source : Texas U