Le graphène réinvente la batterie : une innovation majeure signée Caltech-JPL

Des chercheurs du campus de Caltech et du JPL ont collaboré à la mise au point d’une méthode permettant de recouvrir de graphène les cathodes des batteries lithium-ion, prolongeant ainsi la durée de vie et les performances de ces batteries rechargeables très répandues.

Ces efforts ont abouti à une découverte prometteuse qui pourrait améliorer les performances des batteries lithium-ion et réduire la dépendance au cobalt, un élément fréquemment utilisé dans les batteries lithium-ion et dont il est difficile de s’approvisionner de manière durable.

David Boyd, chercheur principal au Caltech, a travaillé au cours de la dernière décennie pour développer des techniques de fabrication du graphène, une couche de carbone d’un atome d’épaisseur qui est incroyablement solide et conduit l’électricité plus facilement que des matériaux tels que le silicium. En 2015, M. Boyd et ses collègues ont découvert qu’il était possible de produire du graphène de haute qualité à température ambiante. Auparavant, la production de graphène nécessitait des températures extrêmement élevées, jusqu’à 1 000 degrés Celsius.

Après cette découverte, la chasse aux nouvelles applications du graphène a commencé. Récemment, M. Boyd a fait équipe avec Will West, un technologue du JPL, que le Caltech gère pour le compte de la NASA. West est spécialisé dans l’électrochimie et, en particulier, dans le développement de technologies de batteries améliorées. Boyd et West ont entrepris de voir si le graphène pouvait créer une batterie lithium-ion améliorée. Ils ont aujourd’hui démontré que c’était le cas.

« Démontrer une tendance fiable dans la performance des cellules de batterie nécessite des matériaux cohérents, un assemblage cohérent des cellules et des tests minutieux dans une série de conditions », précise Brent Fultz, professeur de science des matériaux et de physique appliquée de Caltech, Barbara et Stanley R. Rawn, Jr. « Il est heureux que l’équipe ait pu effectuer ce travail de manière aussi reproductible, même s’il a fallu un certain temps pour s’en assurer. »

La batterie lithium-ion, introduite pour la première fois sur le marché en 1991, a révolutionné la façon dont nous utilisons l’électricité dans notre vie quotidienne. De nos téléphones portables à nos véhicules électriques, nous comptons sur les batteries lithium-ion comme source d’énergie relativement bon marché, économe en énergie et, surtout, rechargeable.

Malgré ses succès, la technologie des batteries lithium-ion peut encore être améliorée. Par exemple, M. Boyd ajoute que « les ingénieurs de Tesla veulent une batterie rentable qui puisse se charger rapidement et fonctionner plus longtemps entre deux charges. C’est ce qu’on appelle la capacité de charge. »

M. West indique également : « Plus vous pouvez recharger une batterie au cours de sa durée de vie, moins vous devez utiliser de batteries. C’est important car les batteries lithium-ion utilisent des ressources limitées et l’élimination sûre et efficace des cellules lithium-ion est une tâche très difficile ».

Une caractéristique importante des batteries lithium-ion est leur performance après de nombreux cycles de charge et d’utilisation. Les batteries fonctionnent en créant de l’énergie chimique entre les deux extrémités de la batterie – la cathode et l’anode – et en la convertissant en énergie électrique. Les produits chimiques de la cathode et ceux de l’anode fonctionnent au fil du temps, mais ils peuvent ne pas retrouver complètement leur état d’origine. Un problème courant est la dissolution des métaux de transition du matériau de la cathode, qui est particulièrement grave dans les matériaux de cathode à forte teneur en manganèse, mais qui l’est moins dans les matériaux de cathode à forte teneur en cobalt.

« À la suite de réactions secondaires indésirables qui se produisent pendant le cycle, les métaux de transition présents dans la cathode se retrouvent progressivement dans l’anode, où ils restent coincés et réduisent les performances de l’anode », commente encore M. Boyd. Cette dissolution des métaux de transition est l’une des raisons pour lesquelles on utilise des cathodes coûteuses contenant du cobalt plutôt que des cathodes bon marché à forte teneur en manganèse.

Un autre défi pour les batteries lithium-ion est qu’elles nécessitent des métaux chers, rares et pas toujours exploités de manière responsable. Une part importante de l’offre mondiale de cobalt, en particulier, est concentrée en République démocratique du Congo, et une grande partie de ce cobalt est extraite par ce que l’on appelle des mineurs artisanaux : des travailleurs indépendants, y compris des enfants, qui s’engagent dans un travail physique dangereux et exigeant pour une rémunération faible, voire nulle.

On a donc cherché des moyens d’améliorer les performances des batteries tout en réduisant ou en éliminant l’utilisation du cobalt et en prévenant les dommages causés par les métaux lourds.

C’est là qu’intervient le graphène. Les ingénieurs savaient déjà que des revêtements de carbone sur la cathode d’une batterie lithium-ion pouvaient ralentir ou stopper la dégradation thermique, mais il s’est avéré difficile de mettre au point une méthode d’application de ces revêtements. « Les chercheurs ont essayé de déposer du graphène directement sur le matériau de la cathode, mais les conditions de processus généralement requises pour déposer du graphène détruiraient le matériau de la cathode », détaille M. Boyd. « Nous avons étudié une nouvelle technique de dépôt de graphène sur les particules de la cathode, appelée revêtement à sec. L’idée est de disposer d’une substance « hôte » composée de grosses particules et d’une substance « invitée » composée de minuscules particules. En les mélangeant dans certaines conditions, le système peut subir un phénomène connu sous le nom de « mélange ordonné » dans lequel les particules invitées recouvrent uniformément les particules hôtes ».

La technologie de l’enrobage à sec est utilisée depuis les années 1970 dans l’industrie pharmaceutique pour prolonger la durée de vie des comprimés en les protégeant de l’humidité, de la lumière et de l’air.

M. Boyd se souvient avoir pensé : « C’est une bonne idée que nous pourrions utiliser avec le graphène ! Nous pouvons d’abord fabriquer des particules invitées de graphène – des nanoparticules encapsulées de graphène (GEN) – à l’aide de notre méthode à température ambiante, puis en recouvrir à sec une très petite quantité (1 % en poids) sur le matériau de la cathode hôte, de sorte que le graphène recouvre et protège efficacement la cathode ».

Le revêtement à sec de la cathode avec un composite de graphène s’est avéré efficace en laboratoire. Le revêtement de graphène a fortement réduit le TMD, doublé simultanément la durée de vie des piles et permis aux piles de fonctionner dans une plage de températures un peu plus large que ce qui était possible auparavant. Ce résultat a surpris les chercheurs. On supposait que seul un revêtement continu pouvait supprimer les TMD et qu’un revêtement sec composé de particules ne le pouvait pas. En outre, le graphène étant une forme de carbone, il est largement disponible et respectueux de l’environnement.

Cette méthode présente des avantages supplémentaires pour l’industrie des batteries. « Les usines de fabrication de batteries sont très coûteuses. Beaucoup d’argent y a été investi », conclut M. Boyd. « Il est donc très important que les technologies de batteries améliorées soient évolutives et puissent s’intégrer dans les flux de travail de la fabrication de batteries existante. Nous pouvons prendre presque n’importe quel matériau de cathode, y ajouter une petite quantité de notre GEN, le faire tourner pendant quelques minutes dans le mélangeur à sec, et cela réduira la dissolution du métal de transition et améliorera la capacité du taux de charge ».

« Il s’agit également d’une avancée pour les technologies de revêtement en général », ajoute M. Boyd. « Il ouvre de nombreuses possibilités pour l’utilisation des revêtements secs. »

L’article détaillant cette recherche est intitulé « Suppression of Transition Metal Dissolution in Mn-Rich Layered Oxide Cathodes with Graphene Nanocomposite Dry Coatings » (Suppression de la dissolution des métaux de transition dans les cathodes d’oxyde stratifié riches en Mn avec des revêtements secs de nanocomposite de graphène) et a été publié le 1er novembre 2024 dans le Journal of The Electrochemical Society. Les coauteurs sont Boyd, Fultz, Cullen M. Quine (PhD ’23), Channing Ahn, chercheur au Caltech, West et Jasmina Pasalic au JPL. La recherche a été soutenue par des dons de Lewis et Diane van Amerongen et de Charles Fairchild. L’équipement a été fourni par Graph Energy Inc. Les expériences menées au JPL ont été soutenues par la NASA.

Source: Caltech – Traduction Enerzine.com