Un nouveau processus de fabrication produit des cathodes meilleures et moins chères pour les batteries lithium-ion

Un nouveau processus de fabrication produit des cathodes meilleures et moins chères pour les batteries lithium-ion

Les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode de synthèse hydrothermale qui crée un matériau de cathode sans cobalt avec des particules plus uniformes, rondes et serrées, illustrées à droite, que ce qui est courant dans les cathodes d’aujourd’hui, illustrées à gauche, maintenant plus de stabilité tout au long d’un cycle de charge. Crédit : ORNL, Département américain de l’énergie

Des chercheurs du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont mis au point une nouvelle méthode de production d’un composant clé des batteries lithium-ion. Le résultat est une batterie plus abordable grâce à un processus plus rapide, moins coûteux et utilisant moins de matériaux toxiques.

Les batteries au lithium-ion – utilisées dans les produits allant des appareils aux téléphones portables, ainsi que dans la plupart des véhicules électriques – sont composées d’une cathode et d’une anode avec un électrolyte entre les deux. Les ions se déplacent de l’anode à la cathode à travers l’électrolyte dans une réaction qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique.

La tendance à la décarbonisation et la demande de voitures électriques ont accru l’attention portée à la production durable de cathodes à haute densité énergétique. Cependant, le traitement traditionnel présente des défis.

Le premier obstacle est la dépendance au cobalt, un métal rare extrait et raffiné à l’étranger. Cette dépendance vis-à-vis des sources étrangères présente des risques pour les chaînes d’approvisionnement manufacturières et les infrastructures de transport américaines.

La disponibilité du cobalt n’est pas la seule complication. L’équilibre des autres métaux communs dans les cathodes peut également rendre le processus de fabrication plus long et plus dangereux. Par exemple, une concentration élevée en nickel a conduit à l’utilisation généralisée d’une méthode de mélange chimique pour la production de cathodes qui nécessite de grandes quantités d’ammoniac pour les réactions corrosives. L’utilisation du produit chimique toxique augmente les coûts, augmente les problèmes de santé et d’environnement et gaspille de grandes quantités d’eau pour réduire l’acidité.

Les chercheurs de l’ORNL rapportent dans le Journal des sources d’énergie qu’ils ont développé une méthode plus propre, moins chère et plus efficace pour fabriquer une nouvelle classe de matériaux cathodiques à haute capacité sans cobalt. Au lieu d’agiter en continu les matériaux cathodiques avec des produits chimiques dans un réacteur, leur approche de synthèse hydrothermale cristallise la cathode à l’aide de métaux dissous dans de l’éthanol. L’éthanol est plus sûr à stocker et à manipuler que l’ammoniac, et il peut ensuite être distillé et réutilisé.

“Ce nouveau procédé offre l’avantage clé de faire passer l’industrie des cathodes à une production plus propre et plus compétitive tout en réduisant la charge sur notre environnement”, a déclaré Ilias Belharouak de l’ORNL, chercheur principal du projet.

La méthode de synthèse hydrothermale est également beaucoup plus rapide, a déclaré le chercheur principal de l’ORNL, Rachid Essehli. Le temps nécessaire pour fabriquer des particules et préparer le prochain lot de cathodes passe de quelques jours à 12 heures.

De plus, le matériau produit contient des particules plus uniformes, rondes et serrées, idéales pour une cathode, a déclaré Essehli. Bien que l’équipe de l’ORNL ait déjà identifié d’autres combinaisons sans cobalt qui fonctionnent, le matériau développé dans le cadre de cette étude était plus efficace pour maintenir la stabilité tout au long du cycle de charge de la batterie.

Parce que ses propriétés sont similaires à celles des cathodes à base de cobalt d’aujourd’hui, le nouveau matériau peut être intégré de manière transparente dans les processus de fabrication de batteries existants. Un brevet est en instance sur la technologie, qui est prête à être mise à l’échelle pour une production commerciale par l’industrie, a déclaré Essehli. “Ce matériau de cathode peut donner plus d’énergie et réduire le coût des batteries de voitures électriques”, a-t-il déclaré.

Plus d’information:
Rachid Essehli et al, Synthèse hydrothermale de cathodes NMA sans Co pour batteries Li-ion hautes performances, Journal des sources d’énergie (2022). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231938

Fourni par le laboratoire national d’Oak Ridge

Citation: Un nouveau processus de fabrication produit des cathodes meilleures et moins chères pour les batteries lithium-ion (2022, 5 décembre) récupéré le 9 décembre 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-12-cheaper-cathodes-lithium-ion-batteries.html

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