Les matériaux cathodiques entrant dans la composition des batteries lithium-ion sont essentiels au fonctionnement des véhicules électriques. Pourtant, leur production implique des processus complexes et gourmands en eau. Cependant, des progrès récents ont été réalisés grâce à la mise au point d'une nouvelle technique de synthèse entièrement sèche et d'oxyde de sel gemme permettant d'améliorer les batteries. Cette technique pourrait réduire considérablement les coûts de fabrication et l'impact environnemental.
Des chercheurs de l'Université Dalhousie ont réalisé des progrès significatifs dans la mise au point d'une méthode de synthèse entièrement sèche pour les matériaux de cathode NMC622. Ce procédé pourrait permettre de réduire les coûts et de minimiser l'impact environnemental par rapport aux méthodes traditionnelles.
L' étude portait sur l'utilisation de précurseurs d'oxyde de type sel gemme (RS) pour la fabrication de cathodes NMC622. Cette méthode a été comparée à l'approche conventionnelle utilisant un précurseur d'hydroxyde (HP), et les effets de différentes conditions de synthèse ont été étudiés.
Faits saillants
- La synthèse entièrement sèche utilisant des précurseurs RS est prometteuse pour production de cathodes rentable et respectueuse de l'environnement.
- Le procédé nécessite des quantités plus élevées de lithium pour compenser les pertes par évaporation et améliorer l’homogénéité de la composition.
- Le Li2CO3 liquide agit comme un flux lors de la synthèse, améliorer la cristallinité et la lithiation rapide du précurseur RS.
- NMC fabriqué à partir de précurseurs RS avec 20 % de Li en excès ont montré une efficacité coulombienne initiale, une polarisation et une rétention de capacité similaires à celles des NMC fabriqués à partir de précurseurs HP.
« La fabrication du matériau de cathode pour batteries lithium-ion consomme beaucoup d’énergie et d’eau et produit des déchets. Elle a un impact environnemental majeur, notamment en raison de l’empreinte carbone de la batterie », explique le Dr Mark Obrovac.
Les propriétés structurelles et morphologiques des matériaux synthétisés ont été analysées par les chercheurs à l'aide de différentes techniques de caractérisation telles que :
- Diffraction des rayons X (XRD)
- Microscopie électronique à balayage (MEB)
- Spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS)
Ils ont découvert que les meilleures cathodes sont fabriquées à partir de monocristaux dont les particules mesurent environ 5 microns de large. En optimisant la composition et les conditions de chauffage, l'équipe de recherche a créé des cathodes de qualité similaire grâce à un procédé entièrement à sec. Ces cathodes offrent des performances équivalentes à celles des meilleurs produits actuellement disponibles sur le marché.
Le saviez-vous ? Des chercheurs de l’université de Tohoku utilisent des oxydes de type sel gemme désordonnés pour fabriquer des batteries rechargeables au magnésium.
Défis
- Le lithium réagit plus lentement avec les précurseurs RS qu'avec les précurseurs HP lorsqu'il est chauffé en dessous de 723° C.
- Les batteries fabriquées en NMC provenant des précurseurs RS ont une composition moins uniforme et donc une capacité inférieure par rapport à celles des précurseurs HP.
- Les chercheurs doivent rendre la réaction du lithium dans la méthode précurseur RS cohérente et plus rapide pour de meilleures batteries.
Actions potentielles en cours
Le Dr Obrovac s'est associé à NOVONIX , une entreprise de batteries de Nouvelle-Écosse. Ils utilisent des méthodes entièrement sèches pour fabriquer des matériaux de cathode dans leur usine pilote de Dartmouth. Cette installation a une capacité de production de 10 tonnes de matériaux de cathode par an.
Par rapport aux méthodes humides traditionnelles, leur procédé offre :
- 30 % de coûts d'installation en moins
- 50 % de coûts de fonctionnement en moins
- 25 % de consommation d'énergie en moins
- Pas besoin d'eau traitée
- Génération zéro déchet
« Ce sont des chiffres importants, cela représente un véritable tournant dans la production de ces matériaux pour batteries. Cela devrait se traduire par des batteries globalement moins chères et ayant un impact nettement inférieur sur le réchauffement climatique », ajoute le Dr Mark Obrovac.
Conclusion
Cette méthode présente un potentiel considérable pour rendre la production de batteries plus écologique et plus abordable. L'industrie des véhicules électriques pourrait en bénéficier considérablement, même si des obstacles persistent. À mesure que la recherche progresse, l'importance de cette approche innovante pour faire progresser la technologie des batteries durables pourrait s'avérer cruciale.
