Un schéma montrant une batterie au lithium avec la nouvelle architecture de nanotubes de carbone pour l'anode.

Mars Rover vient de tester les matériaux de la combinaison spatiale

En un coup d’oeil:

  • L’élimination du cobalt – le «diamant sanguin des batteries» – des batteries Li-ion pourrait faire baisser les coûts de production.
  • Des chercheurs de l’Université Texas A&M développent des matériaux qui empêchent les batteries lithium-ion de chauffer et de tomber en panne.
  • Les rappels de millions d’appareils ont été liés à des matériaux utilisés dans les batteries lithium-ion.

Le rappel mondial du Samsung Galaxy Note7 en raison de le dysfonctionnement de la batterie (c’est-à-dire l’explosion) est derrière nous, mais les effets néfastes du fiasco restent dans la mémoire collective des fabricants de composants.

Le fait que la menace d’explosion des téléphones obligerait les compagnies aériennes à interdire les téléphones concernés des vols – et selon certaines estimations, coûterait à Samsung Electronics jusqu’à 17 milliards de dollars de revenus provenant de la production et du rappel – est une leçon à éviter.

La cause exacte de la débâcle et du gel consécutif de la production du téléphone était liée à deux facteurs: un défaut de batterie et une fabrication. snafu. Non seulement le lithium-ion de l’appareil la batterie surchauffe et prend feu, mais un défaut de soudure du fabricant inciterait également la batterie à court-circuiter et à s’enflammer. Telles étaient les conclusions d’une enquête interne au cours de laquelle 700 ingénieurs ont testé plus de 200 000 appareils et 30 000 batteries, ainsi que des rapports d’auditeurs de sécurité indépendants. UL, Exponent et TUV Rheinland.

La résolution des problèmes avec les batteries lithium-ion est pour la plupart un fléau pour les fournisseurs de batteries à la recherche de boosters de performances et de réductions de coûts. Néanmoins, les développements récents dans la production de batteries Li-ion sont prometteurs sur au moins deux fronts: rendre les batteries ignifuges, et réduire les coûts tout en améliorant les performances.

Rendre les batteries résistantes aux flammes

Les batteries lithium-ion ont tendance à surchauffer. Des chercheurs de l’Université Texas A&M travaillant sur une technologie qui empêche les batteries au lithium de chauffer et de tomber en panne ont conçu des anodes (conducteurs électriques qui libèrent des électrons pendant la décharge) en utilisant des matériaux légers et hautement conducteurs appelés nanotubes de carbone. La nouvelle architecture d’anode permet un stockage sûr de grandes quantités d’ions lithium.

Un schéma montrant une batterie au lithium avec la nouvelle architecture de nanotubes de carbone pour l’anode.Juran Noh

Les chercheurs ont constaté que Structures de nanotubes de carbone poreux 3D avec une quantité optimale de molécules de liaison a empêché la formation de dendrites, les structures en forme d’aiguilles qui sont connues pour provoquer un court-circuit, une défaillance ou un incendie. Les dendrites, qui ressemblent à des stalagmites et se développent à la surface de l’anode, peuvent percer le séparateur à l’intérieur de la batterie.

Dr Choongho Yu, professeur associé, Département de génie mécanique de J. Mike Walker ’66 à la Texas A&M University, a déclaré que le développement du nouveau «boîtier» est une découverte clé car le nouveau matériau est une structure poreuse qui peut accueillir le lithium. «Les dendrites peuvent rester à l’intérieur de la« maison »au lieu de percer le séparateur pour provoquer un court-circuit et prendre feu», a-t-il déclaré.

De plus, Yu a expliqué que, comme une grande quantité d’ions lithium se lient et se propagent le long de la surface de l’échafaudage de nanotubes de carbone, cela augmentait la capacité de la batterie à produire des courants importants et soutenus. Ce qui est prometteur, c’est que la nouvelle structure d’anode peut supporter des courants cinq fois plus que les batteries au lithium disponibles dans le commerce. Cette fonctionnalité s’avérera utile pour «les batteries à grande échelle, telles que celles utilisées dans les voitures électriques, qui nécessitent une charge rapide», a noté Juran Noh, étudiant diplômé en sciences des matériaux dans le laboratoire de Yu du département de génie mécanique de J. Mike Walker ’66.

La recherche, publiée dans la revue Nano Lettres, rapprochera l’industrie de la conception de batteries Li-ion ignifuges pour des applications commerciales, a déclaré Yu.

Réduire les coûts tout en améliorant les performances

Dans une recherche distincte, la Cockrell School of Engineering de l’Université du Texas (UT) à Austin a cherché à développer un batterie lithium-ion haute énergie sans cobalt. L’élimination du cobalt – que certains appellent le «diamant du sang des batteries» en raison de son association avec les violations des droits de l’homme, y compris l’exploitation minière des enfants en République démocratique du Congo – réduira les coûts de production des batteries lithium-ion.

Le cobalt est généralement logé dans des cathodes (les électrodes qui absorbent les électrons de la batterie). L’équipe de recherche UT a plutôt conçu une nouvelle classe de cathodes ancrées par le nickel (89%), le manganèse et l’aluminium. Plus de nickel dans une batterie signifie plus de stockage d’énergie. Selon l’équipe de recherche, l’augmentation de la densité d’énergie peut entraîner une durée de vie de la batterie plus longue pour des appareils tels que les téléphones portables et une plus grande autonomie pour les véhicules électriques à chaque charge.

Le défi pour les scientifiques reste de trouver l’équilibre chimique optimal: la puissance de sortie et le stockage d’énergie des batteries doivent être mis en balance avec la stabilité, la sécurité et la durée de vie. L’inconvénient de l’élimination du cobalt signifiait ralentir la réponse cinétique d’une batterie et réduire la capacité de débit (à quelle vitesse la cathode peut être chargée ou déchargée), mais l’équipe de recherche de l’Université du Texas a soutenu qu’une combinaison optimale de métaux et une distribution uniforme des ions peut surmonter les problèmes de cycle de vie court et de faible capacité de débit.

La plupart des cathodes pour batteries lithium-ion utilisent des combinaisons d’ions métalliques, comme le nickel-manganèse-cobalt (NMC) ou le nickel-cobalt-aluminium (NCA). L’équipe de recherche UT a rapporté que les cathodes peuvent représenter environ la moitié des coûts des matériaux de la batterie, à un prix d’environ 28 500 dollars la tonne. Le cobalt est plus cher que le nickel, le manganèse et l’aluminium combinés, et ils ont noté qu’il représentait 10% à 30% de la plupart des cathodes de batterie lithium-ion.

Les chercheurs de l’UT, dont les résultats sont rapportés dans la revue Matériaux avancés, ont déclaré qu’ils visaient à tirer parti des processus de synthèse industriels qui sont immédiatement évolutifs.

Conduire sans cobalt

La demande de cobalt dans le secteur des batteries est corrélée à la demande de véhicules électriques. Les principaux fabricants de batteries se sont engagés à réduire la teneur en cobalt des batteries au lithium, en grande partie pour des raisons d’éthique et de rentabilité.

À titre d’exemple, le fournisseur de batteries de Tesla, Panasonic Corp., s’est engagé à atteindre une utilisation nulle à l’avenir. Panasonic et Tesla produisent conjointement batteries nickel-cobalt-aluminium (NCA) à la Gigafactory de Tesla au Nevada.

Pendant ce temps, dans le but de réduire le coût de ses véhicules électriques, Tesla aurait été en pourparlers avec Fabricant chinois de batteries Contemporary Amperex Technology Co. Ltd. (CATL) pour fabriquer des batteries sans cobalt pour les véhicules Tesla Model 3 construits à la Tesla Gigafactory de Shanghai.

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