Une découverte ouvre la voie à une fabrication plus rapide et moins coûteuse des batteries

JoAnna Wendel | PNNL

Un sel de lithium courant a révélé de nouvelles possibilités de fabrication de matériaux de batteries moins chers et plus durables.

La découverte est centrée sur la sublimation, un processus bien connu par lequel, dans les bonnes conditions, un solide se transforme directement en vapeur. La sublimation est à l’origine de la queue d’une comète lorsqu’elle passe devant le soleil. Lorsque l’enveloppe glacée de la comète se réchauffe, la glace se transforme instantanément en vapeur, au lieu de fondre d’abord en eau liquide.

Aujourd’hui, des scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory du ministère américain de l’énergie ont pris exemple sur la nature. Dans une nouvelle découverte publiée le 6 mars dans Nature Energy, l’équipe dirigée par le PNNL a montré que la vapeur issue de la sublimation de l’oxyde de lithium (Li2O) accélère une réaction chimique qui forme des monocristaux lorsqu’elle est mélangée à des précurseurs riches en nickel. Qui plus est, la sublimation se produit à une pression d’une atmosphère seulement, soit la pression quotidienne ressentie au niveau de la mer. Les matériaux monocristallins pour piles sont censés prolonger la durée de vie des piles.

« Cette découverte offre un moyen potentiellement plus rapide, plus efficace et moins coûteux d’augmenter la fabrication de batteries lithium-ion riches en nickel », a déclaré Jie Xiao, coauteur de l’article et titulaire d’une bourse Battelle, qui travaille conjointement avec le PNNL et l’université de Washington. À l’université de Washington, Jie Xiao est titulaire de la chaire Boeing Martin au sein du département d’ingénierie mécanique.

« Cette recherche nous montre comment la science des matériaux peut être appliquée pour simplifier le processus de fabrication », poursuit M. Xiao.

La promesse du nickel

La création de matériaux pour les batteries ressemble un peu à la pâtisserie : il suffit de combiner les bons ingrédients, d’appliquer de la chaleur et de produire quelque chose de nouveau. Dans le cas des piles, les chercheurs recherchent des matériaux pour fabriquer les électrodes positives et négatives d’une pile (parfois appelées respectivement cathodes et anodes). Les électrodes positives acceptent les ions et les électrons, ce qui crée le flux d’électricité qui alimente des appareils tels que les lampes de poche, les ordinateurs portables, les téléphones cellulaires, voire les voitures et les centres de données.

La demande d’appareils dotés de batteries rechargeables augmentant, les scientifiques sont constamment à la recherche de matériaux capables de stocker plus d’énergie et de durer plus longtemps. Les batteries lithium-ion classiques sont limitées par leur coût et la quantité d’énergie qu’elles peuvent contenir, a expliqué M. Xiao. Pour réduire le coût, le nickel et le manganèse, moins chers, sont souvent mélangés au cobalt dans le matériau de la batterie.

Récemment, des chercheurs, dont l’équipe du PNNL de M. Xiao, ont étudié comment incorporer de manière rentable encore plus de nickel dans les cathodes des batteries. Le nickel peut stocker plus d’énergie que le cobalt, de sorte que l’augmentation de la quantité de nickel dans une batterie lithium-ion rend les matériaux plus rentables. Le nickel peut également contribuer à réduire le coût de l’augmentation de la fabrication des cathodes.

Cependant, malgré ses avantages, travailler avec du nickel présente toujours un défi, a déclaré M. Xiao. Le matériau de cathode de lithium riche en nickel a tendance à se former sous forme d’agglomérations appelées « polycristaux », comme un biscuit rempli de pépites de chocolat. Les limites entre les cristaux – comme la limite entre le biscuit et les pépites de chocolat – s’affaiblissent au fur et à mesure que la batterie se décharge et se charge. Au fil du temps, ces faiblesses entraînent des fissures qui dégradent la batterie et réduisent sa durée de vie.

« On peut imaginer que toutes ces minuscules particules sont agglomérées ensemble et qu’elles sont poussées et tirées au fur et à mesure que la batterie se charge et se décharge », explique M. Xiao. « Ce mouvement peut créer des fissures, ce qui affaiblit la batterie. »

Au cours des cinq dernières années, Mme Xiao et ses collègues ont cherché des matériaux qui forment des structures monocristallines, comme un simple biscuit au chocolat. Le chocolat est toujours présent, mais il est réparti uniformément dans le biscuit et non pas en amas.

« Les cathodes monocristallines ne présentent pas les vulnérabilités liées aux structures polycristallines », explique M. Xiao. « Nous espérons donc que les monocristaux atténueront et finiront par éliminer tous les grands défis posés par les matériaux cathodiques riches en nickel. »

Le mystère de la sublimation

Au cours des dernières années, l’équipe de M. Xiao a exploré différents sels de lithium fournis par son partenaire industriel Albemarle Corporation. Le mélange de ces sels, ou précurseurs, avec des précurseurs riches en nickel permet de produire des matériaux cathodiques. L’une des méthodes de production les plus courantes consiste à faire fondre le sel de lithium, qui réagit ensuite avec le précurseur riche en nickel. Pour ce processus, les chercheurs ont préféré l’hydroxyde de lithium (LiOH), dont le point de fusion est bas.

En revanche, le Li2O a un point de fusion élevé, à 1 438 degrés Celsius, et est donc rarement utilisé pour la synthèse de matériaux de cathode. Mais en expérimentant avec Li2O dans le laboratoire de synthèse des matériaux de Xiao au PNNL, une chose surprenante s’est produite : en combinant le précurseur riche en nickel avec Li2O à des températures avoisinant les 900 degrés Celsius, un matériau cathodique monocristallin s’est facilement formé.

Xiao et ses collègues ont reproduit la réaction à plusieurs reprises, en essayant de trouver le mécanisme. Ils se sont finalement tournés vers leur partenaire industriel Thermo Fisher Scientific, qui a étudié la réaction à l’aide d’un instrument appelé MicroReactor. Grâce à ces observations et à une expérience nouvellement conçue, l’équipe a pu mettre en évidence le phénomène de sublimation.

« Nous sommes ravis d’enregistrer la réaction entre Li2O et le précurseur au microscope », a déclaré Libor Novák, l’inventeur du MicroReactor chez Thermo Fisher Scientific.

La nouvelle recherche confirme que le mécanisme est alimenté par la sublimation du Li2O. Dans le scénario de la cuisson, c’est comme si l’on combinait la pâte à biscuit avec du chocolat vaporisé. Lorsque vous coupez le biscuit en deux, il n’y a pas de morceaux de chocolat, juste un biscuit au chocolat sans limites distinctes.

« La vapeur peut pénétrer partout, jusque dans les pores ou la surface des autres précurseurs, et réagir immédiatement », explique M. Xiao. « Les cristaux uniques se forment beaucoup plus rapidement en présence de ces vapeurs. »

L’équipe a ensuite appliqué le phénomène de sublimation du Li2O pour convertir directement des polycristaux usés en monocristaux par un simple processus de mélange et de chauffage. La formation réussie de nouveaux monocristaux montre que le sel Li2O simplifie considérablement le processus de recyclage des polycristaux usagés ou des déchets. En particulier, les déchets de la chaîne de production peuvent être rapidement « refaits » en monocristaux de haute performance grâce à cet ingrédient salin.

De plus, les nouveaux monocristaux, qu’ils soient issus de précurseurs frais ou de polycristaux usagés, ont résisté à 1 000 cycles de charge/décharge, ce qui signifie qu’ils peuvent rester stables pendant de longues périodes.

Une aubaine potentielle pour la fabrication

Grâce aux économies de temps et d’énergie, ainsi qu’aux performances élevées des monocristaux dérivés du Li2O, cette découverte offre une nouvelle méthode de fabrication des monocristaux. Toutefois, l’équipe a encore du travail à faire avant de pouvoir produire des piles, a explicité M. Xiao.

Le Li2O n’étant pas largement utilisé pour la synthèse de matériaux, le coût de son utilisation commerciale est actuellement trop élevé. Toutefois, M. Xiao a fait remarquer que le Li2O est facilement produit en traitant d’autres sels de lithium, tels que le LiOH.

En collaboration avec des partenaires industriels, Mme Xiao et son équipe s’efforcent à présent d’étendre le processus à des coûts de fabrication plus faibles. L’équipe espère fournir des monocristaux à ses partenaires stratégiques en 2026.

Légende illustration : Un microscope électronique à balayage capture les moments qui précèdent la sublimation de l’oxyde de lithium (la particule du milieu, plus grosse) et son mélange avec le matériau riche en nickel qui l’entoure.  (Image : Thermo Fisher Scientific)

Article : « Unusual Li₂O sublimation promotes single-crystal growth and sintering » – DOI : 10.1038/s41560-025-01738-4