De nombreuses voitures électriques sont alimentées par des batteries contenant du cobalt, un métal qui entraîne des coûts financiers, environnementaux et sociaux élevés. Dans cette optique, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont conçu un matériau de batterie qui pourrait fournir une énergie plus durable aux véhicules électriques. La nouvelle batterie lithium-ion comprendra une cathode à base de matériaux organiques plutôt que de cobalt ou de nickel.

Dans une nouvelle étude, les chercheurs montrent que ce matériau est beaucoup moins cher à produire que les batteries contenant du cobalt et peut conduire l’électricité à un rythme similaire à celui des batteries au cobalt. La nouvelle batterie a également une capacité de stockage comparable et peut être chargée plus rapidement que les batteries au cobalt, rapportent les chercheurs.

"Je pense que ce matériel pourrait avoir un impact important car il fonctionne très bien", a déclaré Mircea Dincǎ, professeur au MIT et auteur principal du document de recherche. "Il est déjà compétitif par rapport aux technologies existantes et pourrait permettre d'économiser une grande partie des coûts, des douleurs et des problèmes environnementaux associés à l'extraction des métaux actuellement utilisés dans les batteries."

Comme nous le savons tous, la plupart des véhicules électriques sont alimentés par des batteries lithium-ion, qui se chargent lorsque les ions lithium circulent de l’électrode positive (cathode) à l’électrode négative (anode). Dans la plupart des batteries lithium-ion, la cathode contient du cobalt, un métal qui présente une stabilité et une densité énergétique élevées.

Cependant, le cobalt présente des inconvénients importants. En tant que métal rare, le prix du cobalt peut fluctuer considérablement et la plupart des gisements de cobalt mondiaux sont situés dans des pays politiquement instables. L’extraction du cobalt crée des conditions de travail dangereuses et produit des déchets toxiques qui polluent les terres, l’air et l’eau entourant les mines.

Pour cette raison, de nombreuses recherches tentent de développer des matériaux de batterie alternatifs. L’un de ces matériaux est le phosphate de fer et de lithium (LFP), que certains constructeurs automobiles commencent à utiliser dans les véhicules électriques. Bien que le LFP soit certainement utile dans des applications pratiques, sa densité énergétique n'est qu'environ la moitié de celle des batteries au cobalt et au nickel.

matières organiques

Les matériaux organiques constituent une autre option intéressante, mais jusqu’à présent, la plupart n’ont pas été en mesure d’égaler la conductivité, la capacité de stockage et la longévité des batteries contenant du cobalt. En raison de leur faible conductivité électrique, ces matériaux doivent souvent être mélangés à un liant tel qu'un polymère pour les aider à maintenir un réseau conducteur. Ces liants représentent au moins 50 % du matériau total, réduisant ainsi la capacité de stockage de la batterie.

Il y a environ six ans, le laboratoire de Dincǎ a commencé à travailler sur un projet financé par Lamborghini visant à développer une batterie organique pouvant être utilisée pour alimenter des véhicules électriques. En étudiant des matériaux poreux en partie organiques et en partie inorganiques, Dincǎ et ses étudiants ont réalisé qu'un matériau entièrement organique qu'ils avaient fabriqué semblait susceptible d'être un puissant conducteur.

Le matériau est composé de couches de TAQ (bis-tétraaminoquinone), une petite molécule organique contenant trois anneaux hexagonaux fusionnés. Ces couches peuvent s’étendre vers l’extérieur dans toutes les directions, formant des structures semblables à celles du graphite. À l’intérieur de la molécule se trouvent des groupes chimiques appelés quinones, qui sont des réservoirs d’électrons, et des amines, qui aident le matériau à former de fortes liaisons hydrogène.

Ces liaisons hydrogène rendent ce matériau très stable et extrêmement peu soluble. Cette insolubilité est importante car elle empêche le matériau de se dissoudre dans l’électrolyte de la batterie, comme le font certains matériaux organiques de batterie, prolongeant ainsi sa durée de vie.

"L'une des principales façons dont les matériaux organiques se dégradent consiste simplement à les dissoudre dans l'électrolyte de la batterie et à les "traverser" de l'autre côté de la batterie, créant essentiellement un court-circuit. Si vous rendez le matériau complètement insoluble, ce processus ne se produit pas, nous pouvons donc effectuer plus de 2 000 cycles de charge avec une dégradation minimale", ont-ils déclaré.

Des performances puissantes

Les tests du matériau ont montré que sa conductivité et sa capacité de stockage étaient comparables à celles des batteries conventionnelles contenant du cobalt. De plus, les batteries dotées de cathodes TAQ peuvent se charger et se décharger plus rapidement que les batteries existantes, ce qui pourrait accélérer la recharge des véhicules électriques.

Pour stabiliser la matière organique et augmenter sa capacité à adhérer au collecteur de courant de la batterie, qui est en cuivre ou en aluminium, les chercheurs ont ajouté des matériaux de remplissage tels que la cellulose et le caoutchouc. Ces charges représentent moins d’un dixième du composite cathodique, elles ne réduisent donc pas significativement la capacité de stockage de la batterie.

Ces charges empêchent également la cathode de se fissurer lorsque les ions lithium y pénètrent pendant que la batterie se charge, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie.

Il est rapporté que les principaux matériaux nécessaires à la fabrication de ces cathodes sont les précurseurs de quinone et les précurseurs d'amines, qui sont déjà produits en grandes quantités sous forme de produits chimiques commerciaux. Les chercheurs estiment que le coût des matériaux nécessaires à l’assemblage de ces batteries organiques pourrait représenter entre un tiers et la moitié du coût des batteries au cobalt.

À l’avenir, ils prévoient de continuer à développer des matériaux alternatifs pour les batteries et étudient la possibilité de remplacer le lithium par du sodium ou du magnésium, moins chers et plus abondants que le lithium.