De quoi sera faite l. a. batterie du futur ?

Le groupe de recherche de l’Empa dirigé par Maxim Kovalenko recherche des matériaux innovants pour les batteries de demain. Qu’il s’agisse de véhicules électriques à recharge rapide ou de stockage stationnaire à faible coût, il existe un nouveau matériau ou un nouveau procédé de fabrication prometteur pour chaque software.

Quelles sont les caractéristiques distinctives d’une bonne batterie ? Est-ce sa capacité ? À quelle vitesse se charge-t-il ? Ou son prix ? Los angeles réponse dépend de l’endroit où l. a. batterie est utilisée, explique Kostyantin Kravcik, chercheur à l’Empa. Dans le groupe Matériaux inorganiques fonctionnels, dirigé par Maxim Kovalenko et faisant partie du Laboratoire de l’Empa pour les couches minces et le photovoltaïque, le scientifique développe de nouveaux matériaux pour rendre les batteries de demain plus puissantes, plus rapides ou plus rentables.

Il existe deux domaines d’software des batteries rechargeables qui sont essentiels à l. a. transition vers les énergies renouvelables. Le premier est l. a. mobilité électrique. L’autre est appelé stockage stationnaire, qui stocke l’électricité provenant de assets d’énergie renouvelables telles que le vent et le soleil. Les batteries des véhicules électriques doivent être compactes, légères, avoir une grande capacité et pouvoir être chargées le plus rapidement imaginable. Les batteries stationnaires peuvent prendre plus de position, mais elles ne sont rentables que si elles sont aussi bon marché que imaginable.

Los angeles recherche a été publiée dans Rapports cellulaires Sciences physiques Et Matériaux avancés.

Pas une tâche easy

À l. a. base, chaque batterie se compose d’une cathode, d’une anode et d’un électrolyte. Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, l’anode est en graphite et le matériau de l. a. cathode est un oxyde mixte de lithium et d’autres métaux, tels que l’oxyde de lithium-cobalt (III). Les électrolytes sont utilisés comme transmetteurs d’ions lithium de l. a. cathode à l’anode et inversement, selon que l. a. cellule est chargée ou déchargée.

Lorsqu’il s’agit de batteries de mobilité électrique, une densité énergétique élevée est requise. “En utilisant une anode en lithium métallique pur au lieu du graphite, nous pouvons stocker plusieurs fois plus d’énergie dans une cellule de même taille”, explique Krafcik. Cependant, le lithium n’est pas éliminé ni déposé uniformément lorsque l. a. cellule est chargée et déchargée. Cela conduit à l. a. formation de ce qu’on appelle des dendrites : des buildings ramifiées de lithium métallique qui peuvent court-circuiter l. a. batterie.

Une façon de ralentir l. a. croissance des dendrites consiste à utiliser des électrolytes solides. Dans les batteries dites à semi-conducteurs, au lieu d’un liquide, il existe une couche solide de matériau qui conduit les ions lithium de l. a. cathode à l’anode et inversement.

Exigences élevées en matière d’électrolyte. “Les gens parlent de recharger les batteries en dix à quinze mins”, explique Krafcik. “Cela nécessite une densité de courant très élevée, automobile des dendrites se forment même dans les batteries à semi-conducteurs.”

Los angeles densité de courant est le rapport entre le courant et l. a. floor traversée. Un autre problème est qu’un décapage et un dépôt irréguliers du lithium créent des vides aux limites entre l’électrode et l’électrolyte solide, ce qui réduit l. a. floor de touch disponible et augmente l. a. densité de courant.

Un matériau, deux couches

Dans le cadre du programme Fraunhofer ICON (Global Collaboration and Networking), Kravcik et d’autres chercheurs de l’Empa ont affiné un électrolyte solide prometteur. Le matériau, l’oxyde de lanthane, lithium et zirconium, ou LLZO en abrégé, possède une conductivité ionique et une stabilité chimique élevées, des propriétés idéales pour une utilisation dans les batteries.

«Nous avons fabriqué une membrane LLZO double couche constituée d’une couche dense et poreuse», explique Krafcik. Si le lithium est stocké dans les pores, une très grande floor de touch est créée entre le lithium et l’électrolyte, et l. a. densité de courant reste faible. Los angeles couche dense garantit qu’aucune dendrite ne se développe vers l’autre électrode et ne provoque un court-circuit.

Les chercheurs ont également réfléchi à l. a. rentabilité : ils ont développé un procédé easy, peu coûteux et évolutif pour produire des membranes bicouches.

Du fer bon marché au lieu du cobalt coûteux

Les chercheurs ont adopté une approche complètement différente dans un projet impliquant le stockage stationnaire d’énergie renouvelable. « Los angeles mesure l. a. plus importante pour le stockage stationnaire est le prix », explique Krafcik. Les batteries lithium-ion utilisées aujourd’hui pour le stockage stationnaire sont relativement coûteuses. « C’est pourquoi l. a. technologie de pompage-turbinage pour l’hydroélectricité répond toujours à l. a. plupart des besoins de stockage stationnaire, même si elle a une très faible densité énergétique par rapport aux batteries », poursuit le chercheur.

L’un des principaux facteurs de coût des batteries lithium-ion stationnaires réside dans les matériaux utilisés dans leur fabrication. Outre le lithium, le cobalt et le nickel sont nécessaires à l. a. cathode. Los angeles recherche de meilleurs matériaux cathodiques a rapidement conduit les chercheurs à découvrir l’un des éléments les plus courants de l. a. croûte terrestre : le fer.

Pour l. a. cathode, les chercheurs ont combiné ce métal peu coûteux avec du fluorure sous forme d’hydroxyfluorure de fer (III). “Les méthodes précédentes de fabrication d’une batterie à base de fluorure de fer reposaient sur l. a. conversion chimique”, explique Krafcik. Cela implique l. a. conversion des ions fer en fer métallique. “Ce processus n’est pas très strong”, précise le chercheur. “Idéalement, les ions se déplacent simplement d’une électrode à l’autre sans subir de transformations structurelles majeures.”

Cela représente un défi pour les chercheurs, automobile les fluorures ont une mauvaise conductivité, tant pour les électrons que pour les ions lithium. Mais l’équipe de Krafcik a une resolution : à l’aide d’un procédé easy et peu coûteux, ils ont donné à l’hydroxyfluorure de fer (III) une construction cristalline spécifique. Cette construction, appelée pyrochlore, possède des canaux à l’intérieur qui conduisent les ions lithium.

« Nous avons pu obtenir des performances similaires à un prix bien inférieur grâce à notre batterie », explique Krafcik. “Nous sommes assez surpris que presque personne n’ait encore exploré remark développer une synthèse à faible coût de ce matériau prometteur.”