L’industrie des batteries lithium-ion connaît une transformation majeure grâce à une innovation scientifique récente. Un nouveau matériau pour cathode promet de réduire considérablement les coûts de production tout en maintenant des performances élevées. L’impact potentiel sur les véhicules électriques et le stockage d’énergie à grande échelle s’annonce significatif.
Une équipe de recherche multi-institutionnelle, dirigée par Hailong Chen de Georgia Tech, a mis au point une nouvelle cathode à faible coût susceptible d’améliorer significativement les batteries lithium-ion (LIB). Le matériau en question, le chlorure de fer (FeCl3), présente un coût de production remarquablement bas, représentant seulement 1 à 2% du prix des matériaux de cathode conventionnels.
Le Professeur Hailong Chen a ainsi déclaré : « Depuis longtemps, les chercheurs recherchent une alternative moins coûteuse et plus durable aux matériaux de cathode existants. Je pense que nous l’avons trouvée. »
L’importance des matériaux de cathode dans les performances, la durée de vie et le coût des batteries est considérable. La capacité, l’énergie et l’efficacité de ces dispositifs de stockage d’énergie sont directement influencées par ces composants.
Un potentiel de transformation pour l’industrie automobile électrique
Les batteries représentent actuellement environ 50% du coût total d’un véhicule électrique. Cette proportion rend les véhicules écologiques plus onéreux que leurs homologues à combustion interne. L’invention de l’équipe de Chen pourrait modifier cet équilibre économique.
Hailong Chen a souligné l’impact potentiel de cette innovation : « Notre cathode pourrait être un élément déterminant. Le marché des véhicules électriques – et l’ensemble du marché des batteries lithium-ion – bénéficierait grandement de cette avancée.«
Vers une nouvelle génération de batteries tout-solide
La cathode FeCl3 s’inscrit dans le développement des batteries lithium-ion tout-solide. Ces batteries utilisent des électrolytes solides, augmentant considérablement l’efficacité et la fiabilité tout en améliorant la sécurité et la capacité de stockage d’énergie.
Le système de batterie combinant la cathode FeCl3, un électrolyte solide et une anode en lithium métallique, pourrait réduire le coût total de 60 à 70% par rapport aux batteries lithium-ion actuelles.
Hailong Chen a également expliqué les implications de cette technologie : « Les véhicules électriques pourraient devenir beaucoup moins chers que les voitures à combustion interne. De plus, une nouvelle forme prometteuse de stockage d’énergie à grande échelle pourrait être fournie, renforçant la résilience du réseau électrique.«
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Un processus de découverte innovant
L’intérêt de Hailong Chen pour le FeCl3 comme matériau de cathode est né des recherches de son laboratoire sur les matériaux d’électrolyte solide. À partir de 2019, son équipe a tenté de fabriquer des batteries tout-solide en utilisant des électrolytes solides à base de chlorure avec des cathodes traditionnelles à base d’oxyde.
Face aux difficultés rencontrées, les chercheurs ont émis l’hypothèse qu’une cathode à base de chlorure pourrait mieux s’associer à l’électrolyte chloré pour offrir de meilleures performances.
« Un candidat (FeCl3) valant la peine d’être essayé a été identifié, car sa structure cristalline est potentiellement adaptée au stockage et au transport des ions Li. Heureusement, il a fonctionné comme nous l’espérions. » a aussi précisé le chercheur.
Des perspectives encourageantes pour l’avenir
Les tests initiaux ont montré que le FeCl3 offre des performances égales ou supérieures à celles des cathodes beaucoup plus coûteuses actuellement utilisées. Par exemple, il présente une tension de fonctionnement plus élevée que la cathode LiFePO4 (lithium fer phosphate, ou LFP) couramment utilisée.
Cette technologie pourrait être commercialement viable pour les véhicules électriques dans moins de cinq ans.
Et de conclure : « Le perfectionnement des matériaux en laboratoire et la compréhension des mécanismes de fonctionnement sous-jacents sont nos priorités. Nous restons cependant ouverts aux opportunités de développer la technologie et de la pousser vers des applications commerciales. »
Article : « Low-cost iron trichloride cathode for all-solid-state lithium-ion batteries » – DOI: 10.1038/s41893-024-01431-6
