Les batteries se présentent sous de nombreuses formes et tailles, mais leurs matériaux peuvent être difficiles à trouver. Les chercheurs du SLAC tentent de les fabriquer avec des éléments plus abondants et exploités de manière éthique.
Au cours des dix dernières années, Johanna Nelson Weker, scientifique au SLAC, a observé des centaines de batteries se charger, se décharger et finalement s’éteindre. Les recherches de son équipe ont permis de mieux comprendre la fiabilité des batteries. Des batteries plus fiables sont nécessaires pour alimenter plus de choses que jamais, notamment les installations de stockage des réseaux électriques, les voitures, les camions et même les souffleurs de feuilles.
Mais Nelson Weker estime que la prolifération des batteries ne peut pas rester axée sur les performances. L’industrie est arrivée à sa prochaine grande bifurcation : comment construire des batteries en utilisant des matériaux abondants et éthiquement exploités.
Le type de batterie le plus utilisé aujourd’hui, le lithium-ion, nécessite des matériaux qui peuvent être difficiles à trouver – et dont certains ont fait l’objet de préoccupations documentées en matière de droits de l’homme associées à des pratiques d’exploitation minière en dehors des États-Unis.
L’équipe de Nelson Weker, au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère américain de l’énergie, s’efforce actuellement de trouver des moyens de concevoir des batteries utilisant des matériaux alternatifs, tels que le zinc et le manganèse, plutôt que le lithium et le cobalt. Pour ce faire, ils utilisent la source de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL), en soumettant des échantillons de matériaux de batteries aux rayons X puissants et lumineux de l’installation. Les rayons X permettent aux chercheurs de comprendre le comportement atomique d’une batterie lorsqu’elle se charge et se décharge d’électricité.
Dans ces questions-réponses, Nelson Weker nous explique à quoi pourrait ressembler l’avenir de la conception des batteries.
Quelle est l’urgence de concevoir des batteries plus durables ?
Nous sommes parvenus à un point où nous savons comment fabriquer de bonnes batteries qui fonctionnent bien pour de nombreuses applications, comme la conduite d’un véhicule électrique. Il est donc moins nécessaire de prouver que les batteries sont capables de rivaliser en termes de performances avec d’autres ressources énergétiques.
Nous voulons maintenant les fabriquer de manière encore plus durable, par exemple en utilisant des matériaux abondants, plutôt que du lithium et du cobalt, qui sont des ressources plus limitées.
En outre, les consommateurs sont de plus en plus conscients de l’impact environnemental de la construction d’un véhicule électrique et veulent contribuer à la réduction des déchets, à l’augmentation de la recyclabilité et à l’élimination des produits chimiques toxiques contenus dans les batteries. C’est là que l’utilisation de matériaux plus abondants pour les batteries, comme le zinc et le manganèse, devient essentielle. Ces matériaux peuvent réduire les effets négatifs de l’exploitation minière.
Sur quels projets de recherche sur les batteries travaillez-vous ?
Nous avons quelques projets principaux, le premier consistant à trouver des moyens de réduire la quantité de cobalt dans les batteries des véhicules électriques. Le cobalt est une ressource difficile à extraire et son exploitation pose des problèmes sociopolitiques. Nous voulons mettre au point une batterie de VE qui ne nécessite que peu ou pas de cobalt, mais qui puisse quand même se charger rapidement comme une batterie de VE normale. Les gens veulent des VE à charge rapide, il est donc essentiel de maintenir cette capacité.
Un deuxième projet porte sur l’utilisation de sels de roche désordonnés dans la cathode ou la borne positive d’une batterie. Les sels de roche désordonnés (DRX) ont une structure atomique plus aléatoire que les cathodes traditionnelles et pourraient réduire ou éliminer le besoin de cobalt et de nickel dans la cathode. Nous travaillons avec le Lawrence Berkeley National Laboratory, et notre premier problème à résoudre est de savoir pourquoi seuls certains DRX fonctionnent comme cathodes. Ici, au SLAC, nous prévoyons d’utiliser le SSRL pour étudier la composition chimique des structures DRX afin de comprendre le processus de synthèse jusqu’au produit final. Il arrive que l’on essaie de synthétiser un matériau comme le DRX et que l’on n’obtienne pas la proportion de différents éléments que l’on souhaitait.
Nous cherchons également à concevoir une batterie qui utilise du zinc ou du soufre. Le soufre est un élément très abondant sur terre. Il s’agit en fait d’un sous-produit de l’industrie pétrolière, où il est considéré comme un déchet.
Ces batteries alternatives pourraient-elles également améliorer les performances ?
Pas nécessairement, et ce n’est pas grave. Nous pensons que les performances ne devraient pas être la seule variable clé de la conception si nous voulons que les batteries deviennent plus utilisables dans la société.
Notre principal objectif est donc de concevoir des batteries dont les performances sont identiques à celles des batteries lithium-ion les plus répandues, mais avec des matériaux largement disponibles et exploités de manière plus éthique.
Quels sont les autres matériaux alternatifs que vous étudiez ?
Le zinc est l’un de mes préférés car il utilise un ion multivalent, ce qui signifie qu’il peut fournir deux électrons pendant le processus de décharge d’une batterie, alors que le lithium n’en fournit qu’un seul. Le zinc fonctionne également avec des électrolytes à base d’eau, ce qui réduit les risques d’incendie associés aux batteries. Cela en fait une excellente option pour les grandes installations de stockage d’énergie pour le réseau.
En contrepartie, le zinc est plus lourd que le lithium, ce qui signifie qu’il augmenterait le poids total d’un véhicule électrique. Les batteries au zinc ont une grande marge de progression, tout comme les batteries lithium-ion il y a 20 ans. Les batteries au zinc sont également recyclées plus souvent que les batteries au lithium. C’est un avantage supplémentaire : il existe déjà un mécanisme de recyclage des batteries au zinc.
Comment la science des rayons X au SSRL aide-t-elle votre équipe à étudier les batteries ?
Au SSRL, nous pouvons étudier les structures atomiques des batteries et le mouvement de leurs ions et électrons pendant que nous les faisons fonctionner. Cela nous permet d’observer le fonctionnement des batteries sur de nombreux cycles et de déterminer les causes de leur détérioration et de leur défaillance.
Nous pouvons également étudier la synthèse des composants de la batterie, c’est-à-dire tous les éléments intermédiaires.
Légende image principale / Johanna Nelson Weker, scientifique au SLAC, travaille sur une ligne de faisceau à l’intérieur du SSRL qui se concentre sur la recherche sur les batteries. Crédit : (Jacqueline Ramseyer Orrell/SLAC National Accelerator Laboratory)
