Le groupe de recherche Empa, dirigé par Maksym Kovalenko, est à la pointe de l’innovation en matière de développement de matériaux pour les batteries du futur. Que ce soit pour les voitures électriques à recharge rapide ou les accumulateurs d’électricité à faible coût, ils trouvent un matériau prometteur ou un procédé de fabrication inédit pour chaque application.
Qu’est-ce qui fait une bonne batterie ?
La réponse à cette question dépend de l’utilisation de la batterie, explique Kostiantyn Kravchyk, chercheur à l’Empa. Dans le groupe « Functional Inorganic Materials », ils développent de nouveaux matériaux pour rendre les batteries de demain plus performantes, plus rapides à charger, ou tout simplement moins chères.
Deux domaines d’application des batteries rechargeables sont déterminants pour le tournant énergétique : d’une part la mobilité électrique, d’autre part les accumulateurs dits stationnaires, qui stockent l’électricité produite par des sources d’énergie renouvelables comme le vent et le soleil.
Les défis de la batterie lithium-ion
Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, l’anode est composée de graphite et la cathode d’un oxyde mixte de lithium et d’autres métaux, comme l’oxyde de lithium-cobalt (III). L’électrolyte conduit les ions de lithium de la cathode à l’anode et inversement, selon que la cellule est en cours de charge ou de décharge.
Un des défis majeurs est la formation de dendrites : des structures ramifiées de lithium métallique qui peuvent court-circuiter la batterie. Une possibilité de ralentir la croissance des dendrites est l’utilisation d’électrolytes solides.
Un matériau prometteur : l’oxyde de lithium-lanthane-zirconium
Dans le cadre de la ligne de promotion Fraunhofer ICON, les chercheurs de l’Empa ont poursuivi le développement d’un électrolyte solide très prometteur. Le matériau, l’oxyde de lithium-lanthane-zirconium, en abrégé LLZO, possède une conductivité ionique élevée et une stabilité chimique – des propriétés idéales pour l’utilisation dans les batteries.
Les chercheurs ont transformé le LLZO en une membrane à deux couches, l’une dense et l’autre poreuse. Si l’on stocke du lithium dans les pores, on obtient une très grande surface de contact entre le lithium et l’électrolyte, et la densité de courant reste faible.
Du fer plutôt que du cobalt coûteux
Les chercheurs ont suivi une toute autre approche dans le cadre d’un projet portant sur le stockage stationnaire des énergies renouvelables. « La métrique de loin la plus importante pour le stockage stationnaire est le prix », explique Kostiantyn Kravchyk.
L’un des plus grands facteurs de coûts pour les batteries stationnaires sont les matériaux utilisés. Outre le lithium, il s’agit du cobalt et du nickel nécessaires à la fabrication de la cathode des batteries lithium-ion. La recherche de meilleurs matériaux pour la cathode a rapidement conduit les chercheurs à l’un des éléments les plus fréquents de la croûte terrestre : le fer.
Pour leur cathode, les chercheurs ont combiné ce métal bon marché avec du fluorure. Plus précisément, ils ont utilisé de l’hydroxyfluorure de fer (III). « Jusqu’à présent, les approches visant à fabriquer une pile à base de fluorure de fer reposaient sur la conversion chimique », explique Kostiantyn Kravchyk. Dans ce cas, on transforme les ions de fer en fer métallique. « Ce processus n’est pas très stable », explique le chercheur. « Dans le cas idéal, les ions se déplacent simplement d’un pôle à l’autre, sans subir de grandes modifications structurelles ».
Un défi pour les chercheurs, car en réalité, les fluorures ont une mauvaise conductivité, aussi bien pour les électrons que pour les ions lithium. Mais l’équipe a la solution : au moyen d’un procédé simple et peu coûteux, ils ont transformé leur hydroxyfluorure de fer (III) en une structure cristalline spéciale. Cette structure, appelée pyrochlore, contient en son sein des canaux qui conduisent les ions de lithium.
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« Notre batterie nous a permis d’obtenir des performances comparables à un prix nettement inférieur », précise Kostiantyn Kravchyk. « Nous sommes surpris de constater que jusqu’à présent, personne ou presque n’a étudié comment produire ce matériau prometteur à un coût raisonnable ».
En synthèse
Le groupe de recherche est à l’avant-garde du développement de matériaux innovants pour les batteries du futur. Que ce soit pour les voitures électriques à recharge rapide ou les accumulateurs d’électricité à faible coût, ils trouvent un matériau prometteur ou un procédé de fabrication inédit pour chaque application. Leur travail sur l’oxyde de lithium-lanthane-zirconium et l’hydroxyfluorure de fer (III) pourrait bien révolutionner le monde des batteries.
Pour une meilleure compréhension
1. Qu’est-ce qui fait une bonne batterie ?
Une bonne batterie dépend de son utilisation. Pour les voitures électriques, une batterie doit être compacte, légère, avoir une grande capacité et se recharger rapidement. Pour les accumulateurs stationnaires, la rentabilité est la clé, donc elles doivent être le moins cher possible.
2. Qu’est-ce que les dendrites dans une batterie ?
Les dendrites sont des structures ramifiées de lithium métallique qui peuvent se former lors de la charge et de la décharge d’une batterie. Elles peuvent court-circuiter la batterie, ce qui est un défi majeur dans le développement des batteries.
3. Qu’est-ce que l’oxyde de lithium-lanthane-zirconium (LLZO) ?
Le LLZO est un matériau prometteur pour les électrolytes solides dans les batteries. Il a une conductivité ionique élevée et une stabilité chimique, ce qui le rend idéal pour l’utilisation dans les batteries.
4. Pourquoi le fer est-il un matériau prometteur pour les batteries ?
Le fer est l’un des éléments les plus fréquents de la croûte terrestre et est donc beaucoup moins cher que le cobalt et le nickel, qui sont couramment utilisés dans les batteries lithium-ion. Les chercheurs ont découvert que l’hydroxyfluorure de fer (III) peut être utilisé pour fabriquer une cathode de batterie à un coût nettement inférieur.
5. Qu’est-ce que l’hydroxyfluorure de fer (III) ?
L’hydroxyfluorure de fer (III) est un composé qui a été utilisé par les chercheurs pour fabriquer une cathode de batterie. Ils ont transformé ce composé en une structure cristalline spéciale, appelée pyrochlore, qui contient des canaux qui conduisent les ions de lithium.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| 1. Les bonnes batteries dépendent de leur utilisation. |
| 2. Les dendrites sont un défi majeur dans le développement des batteries. |
| 3. L’oxyde de lithium-lanthane-zirconium (LLZO) est un matériau prometteur pour les électrolytes solides. |
| 4. Le fer est un matériau moins cher pour les batteries par rapport au cobalt et au nickel. |
| 5. L’hydroxyfluorure de fer (III) peut être utilisé pour fabriquer une cathode de batterie à un coût inférieur. |
| 6. La structure cristalline spéciale, appelée pyrochlore, contient des canaux qui conduisent les ions de lithium. |
| 7. Les batteries pour les voitures électriques doivent être compactes, légères, avoir une grande capacité et se recharger rapidement. |
| 8. Les batteries stationnaires doivent être le moins cher possible pour être rentables. |
| 9. Les accumulateurs stationnaires sont importants pour le stockage de l’électricité produite par des sources d’énergie renouvelables. |
| 10. Un procédé simple, peu coûteux et évolutif a été développé pour fabriquer les membranes à deux couches de LLZO. |
Références
Source : Groupe de recherche Empa, dirigé par Maksym Kovalenko
H Zhang, R Dubey, M Inniger, F Okur, R Wullich, A Parrilli, DT Karabay, A Neels, KV Kravchyk, MV Kovalenko; Ultrafast-sintered self-standing LLZO membranes for high energy density lithium-garnet solid-state batteries; Cell Reports Physical Science (2023); doi: 10.1016/j.xcrp.2023.101473
JF Baumgärtner, M Wörle, CP Guntlin, F Krumeich, S Siegrist, V Vogt, DC Stoian, D Chernyshov, W van Beek, KV Kravchyk, MV Kovalenko; Pyrochlore-Type Iron Hydroxy Fluorides as Low-Cost Lithium-Ion Cathode Materials for Stationary Energy Storage; Advanced Materials (2023); doi: 10.1002/adma.202304158
