Une nouvelle batterie au manganèse pour stocker l’énergie renouvelable

Des chercheurs du MIT ont développé un nouveau matériau pour les batteries lithium-ion, basé sur le manganèse. Plus abordable et performant que les batteries actuelles, il pourrait accélérer le déploiement des énergies renouvelables et des véhicules électriques. L’innovation réside dans l’utilisation d’un composé appelé DRXPS, qui combine les avantages de deux familles de matériaux pour cathodes. Le manganèse, élément clé de la batterie, offre une alternative économique et durable aux matériaux actuels.

Depuis une décennie, les scientifiques étudient un type de matériau appelé «sel de roche désordonné» pour fabriquer des cathodes de batteries lithium-ion plus performantes. Une équipe du MIT vient de réaliser des progrès significatifs en créant une nouvelle version de matériau, baptisée DRXPS.

Le DRXPS combine les avantages de deux familles de matériaux pour cathodes :

– Le sel de roche désordonné, qui offre une grande capacité de stockage
– Les composés à base de phosphore, qui améliorent la stabilité

Résultat : une batterie capable de stocker beaucoup d’énergie tout en conservant ses performances dans le temps.

Le manganèse, élément clé

L’innovation majeure réside dans l’utilisation du manganèse comme composant principal. Cet élément présente plusieurs avantages par rapport au nickel et au cobalt utilisés actuellement :

Il est beaucoup plus abondant sur Terre, son coût est nettement inférieur (5 fois moins cher que le nickel, 30 fois moins que le cobalt), et il permet d’atteindre des densités d’énergie élevées.

Ju Li, professeur au MIT et co-auteur de l’étude, souligne l’importance de choix : «Si nous voulons une véritable électrification de la production d’énergie et des transports, nous avons besoin de batteries utilisant des éléments abondants pour stocker l’énergie solaire et éolienne intermittente. Je pense que c’est l’une des étapes vers cet objectif.»

Un défi technique surmonté

Les chercheurs ont résolu un problème majeur des cathodes en sel de roche désordonné : la mobilité de l’oxygène. Lorsque la batterie est chargée à haut voltage, l’oxygène devient mobile et réagit avec l’électrolyte, ce qui dégrade progressivement le matériau.

La solution ? L’ajout de phosphore qui agit comme une «colle» pour maintenir l’oxygène en place. Yimeng Huang, auteur principal de l’étude, explique : « L’innovation principale est d’avoir ajouté juste la bonne quantité de phosphore. Il forme des liaisons fortes avec les atomes d’oxygène voisins, ce qui les empêche de se déplacer. »

Le nouveau matériau DRXPS ouvre la voie à des batteries plus performantes et moins chères. Cela pourrait avoir un impact considérable sur le développement des énergies renouvelables, l’essor des véhicules électriques, et l’électronique grand public.

Gerbrand Ceder, professeur à l’Université de Californie à Berkeley, commente : «Les batteries lithium-ion sont un élément essentiel de la transition vers une énergie propre. Leur croissance continue et la baisse de leur prix dépendent du développement de matériaux de cathode peu coûteux et performants, fabriqués à partir d’éléments abondants, comme présenté dans ce travail.»

Des recherches à poursuivre

Malgré des progrès significatifs, des défis restent à relever pour optimiser le matériau DRXPS. Il faut améliorer les méthodes de fabrication pour une production à grande échelle, réduire la quantité de carbone ajoutée pour la conductivité, et explorer différentes compositions chimiques pour maximiser les performances.

Yimeng Huang conclut : «Ce n’est que le début de la recherche sur le DRXPS, car nous n’avons exploré que quelques compositions chimiques parmi un vaste éventail de possibilités. Nous pouvons jouer avec différents ratios de lithium, manganèse, phosphore et oxygène, ainsi qu’avec diverses combinaisons d’autres éléments formant des polyanions comme le bore, le silicium et le soufre.»

Avec des améliorations futures, les batteries utilisant des cathodes DRXPS pourraient transformer le stockage d’énergie pour les véhicules électriques, les réseaux électriques et même les appareils électroniques grand public.

Légende image principale : Illustration artistique de l’intégration entre deux structures distinctes de cathode de batterie, le sel gemme (polyèdres bleus) et l’olivine de polyanion (polyèdres rouges/jaunes). Une nouvelle structure hybride est obtenue en intégrant des polyanions (polyèdres jaunes) dans une structure de sel gemme (polyèdres bleus). Photo : Yimeng Huang/Département des sciences et de l’ingénierie nucléaires

Article: « Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling »- DOI: s41560-024-01615-6