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Matériaux de batterie
Qu'y a-t-il dans la batterie du futur ?
Le groupe de recherche Empa de Maksym Kovalenko développe des matériaux innovants pour les accumulateurs de demain. Qu'il s'agisse de voitures électriques à recharge rapide ou d'accumulateurs d'électricité bon marché : pour chaque application, ils trouvent un matériau prometteur ou un procédé de fabrication inédit.
Qu'est-ce qui fait une bonne batterie ? Est-ce sa capacité ? Sa vitesse de charge ? Ou bien son prix ? La réponse dépend de l’utilisation de la batterie, explique Kostiantyn Kravchyk, chercheur à l'Empa. Dans le groupe "Functional Inorganic Materials", dirigé par Maksym Kovalenko et faisant partie du laboratoire "Thin Films and Photovoltaics" de l'Empa, le scientifique développe de nouveaux matériaux afin de rendre les batteries de demain plus performantes et la vitesse de charge plus rapides, 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 batteries pour les voitures électriques doivent être compactes et légères, avoir une grande capacité et se recharger le plus rapidement possible. Les batteries stationnaires peuvent prendre plus de place. Mais elles ne sont rentables que si elles coûtent le moins cher possible.
Pas une tâche facile
En principe, chaque batterie se compose d'une cathode, d'une anode et d'un électrolyte. 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.
Lorsqu'il s'agit d'accumulateurs pour l'électromobilité, une densité énergétique aussi élevée que possible est souhaitable. "Avec une anode en lithium métallique pur au lieu du graphite, nous pourrions stocker plusieurs fois plus d'énergie dans une cellule de même taille", explique Kostiantyn Kravchyk. Cependant, le lithium n'est pas déposé et redéposé de manière uniforme lors de la charge et de la décharge de la cellule. Il se forme alors ce que l'on appelle des 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. Dans les batteries dites solides, au lieu d'un liquide, une couche de matériau solide conduit les ions de lithium de la cathode à l'anode et inversement.
Les exigences posées au matériau de l'électrolyte sont toutefois élevées. "On parle de recharger les batteries en dix à quinze minutes", explique Kostiantyn Kravchyk. "Cela nécessite une densité de courant très élevée, à laquelle des dendrites apparaissent même dans les batteries à l'état solide". La densité de courant est le rapport entre l'intensité du courant et la surface à travers laquelle le courant circule. Autre danger : le dépôt et l'application irréguliers de lithium entraînent la formation de cavités à la limite entre l'électrode et l'électrolyte solide, ce qui réduit la surface disponible et augmente encore la densité de courant.
Un matériau, deux couches
Dans le cadre de la ligne de promotion Fraunhofer ICON ("International Cooperation and Networking"), Kostiantyn Kravchyk et d'autres chercheurs de l'Empa ont maintenant 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.
"Nous avons transformé le LLZO en une membrane à deux couches, l'une dense et l'autre poreuse", explique Kostiantyn Kravchyk. 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. La couche dense garantit qu'aucune dendrite ne puisse pousser vers l'autre électrode et provoquer un court-circuit. Et les chercheurs ont également pensé à la rentabilité : ils ont développé un procédé simple, peu coûteux et évolutif pour fabriquer les membranes à deux couches.
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. Les batteries utilisées aujourd'hui de manière isolée pour le stockage stationnaire sont basées sur la technologie lithium-ion et sont comparativement chères. "C'est pourquoi la majeure partie des besoins de stockage est encore couverte par des centrales de pompage-turbinage, bien qu'elles aient une densité énergétique très faible comparée aux batteries", poursuit le chercheur.
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 de Kostiantyn Kravchyk 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.
"Notre batterie nous a permis d'obtenir des performances comparables à un prix nettement inférieur", explique 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".
Thin Films and Photovoltaics
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Communication
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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
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