fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs du laboratoire de Julia R. Greer au California Institute of Technology (Caltech) ont développé une nouvelle méthode de fabrication de cathodes de batteries à structure tridimensionnelle, visant à améliorer la sécurité, réduire l'impact environnemental et augmenter les performances des futures batteries.
Cette nouvelle cathode remplace le cobalt, toxique, coûteux et dont l'extraction pose des problèmes éthiques, par du phosphate de fer lithié (LFP) intégré dans une matrice de carbone. Le phosphate de fer lithié est plus sûr en cas de surcharge et moins susceptible de provoquer des incendies ou des courts-circuits. En repensant la structure interne de la batterie, les chercheurs ont surmonté les limitations des performances généralement inférieures du LFP.
Yingjin Wang, étudiant diplômé du laboratoire Greer, a indiqué que l'équipe a développé une méthode universelle pour fabriquer des électrodes de batterie tridimensionnelles à partir de matériaux plus sûrs. En combinant le phosphate de fer lithié (communément appelé LFP) avec une matrice de carbone, cette conception élimine l'utilisation du cobalt dangereux tout en améliorant la résistance mécanique de la batterie.
Les batteries lithium-ion, principales sources d'énergie pour les appareils mobiles modernes, les véhicules électriques et les réseaux électriques d'énergie renouvelable, sont composées de cinq éléments essentiels : l'anode, la cathode, l'électrolyte liquide, le séparateur et le collecteur de courant. Malgré leur importance commerciale, les conceptions standard présentent des risques de sécurité persistants et des limitations de performance. Cette nouvelle avancée, en repensant la conception des batteries, ouvre la voie à des technologies de stockage d'énergie plus sûres, plus respectueuses de l'environnement et plus performantes.
Les batteries lithium-ion traditionnelles reposent sur des électrodes plates bidimensionnelles, tandis que cette nouvelle recherche introduit une cathode tridimensionnelle produite par impression 3D. Le passage d'une conception plane à une structure 3D permet de maximiser la surface active de conversion de l'énergie chimique en énergie électrique. Greer explique que cette structure facilite le découplage des distances de diffusion solide et liquide : lorsque l'électrolyte liquide s'écoule dans la structure labyrinthique, une surface solide est disponible partout. Parallèlement, cette conception réduit la tortuosité et raccourcit le chemin de déplacement physique des ions entre la cathode et le séparateur, améliorant ainsi la densité de puissance de la batterie, lui permettant de libérer l'énergie stockée plus rapidement.
Actuellement, les cathodes des batteries lithium-ion dépendent du cobalt, dont la chaîne d'approvisionnement est entachée par des pratiques minières contraires à l'éthique, et le matériau lui-même présente des risques de sécurité. En comparaison, le phosphate de fer lithié est une alternative plus sûre, dont la stabilité chimique réduit les risques d'emballement thermique ou de court-circuit. Greer souligne que le phosphate de fer lithié n'est pas un nouveau matériau en soi, mais l'utilisation de la fabrication additive (c'est-à-dire l'impression 3D) pour produire des électrodes structurelles sans cobalt est une nouveauté. La prochaine étape des chercheurs est de concevoir une anode en phosphate de fer lithié à structure 3D complémentaire, afin de réaliser une batterie entièrement en 3D alliant haute densité énergétique et haute densité de puissance. Compte tenu du stade précoce de la recherche et des paramètres de fabrication complexes, atteindre cet objectif constituera un défi de fabrication hautement complexe. L'objectif final de l'équipe est d'intégrer un électrolyte à base de polymère pour réaliser une véritable batterie à l'état solide. Cette étude a été publiée dans la revue ACS Energy Letters.
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