Dans notre futur monde électrifié, la demande de stockage de batteries devrait être énorme, atteignant furthermore de 2 à 10 térawattheures (TWh) de manufacturing annuelle de batteries d’ici 2030, contre moins de, 5 TWh aujourd’hui. Cependant, les inquiétudes grandissent quant à savoir si les matières premières clés seront adéquates pour répondre à cette demande long run. La batterie lithium-ion – la technologie dominante dans un avenir prévisible – a un composant composé de cobalt et de nickel, et ces deux métaux sont confrontés à de sévères contraintes d’approvisionnement sur le marché mondial.



Aujourd’hui, après plusieurs années de recherche dirigée par le Lawrence Berkeley Countrywide Laboratory (Berkeley Lab), les scientifiques ont fait des progrès significatifs dans le développement de cathodes de batterie en utilisant une nouvelle classe de matériaux qui fournissent aux batteries la même densité d’énergie, sinon moreover, que les batteries lithium-ion conventionnelles. mais peut être fait de métaux peu coûteux et abondants. Connue sous le nom de DRX, qui signifie sels minéraux désordonnés avec excès de lithium, cette nouvelle famille de matériaux a été inventée il y a moins de 10 ans et permet de fabriquer des cathodes sans nickel ni cobalt.

 » La batterie lithium-ion classique nous a bien servi, mais alors que nous considérons les futures demandes de stockage d’énergie, sa dépendance à l’égard de certains minéraux essentiels nous expose non seulement à des risques liés à la chaîne d’approvisionnement, mais également à des problèmes environnementaux et sociaux « , a déclaré Ravi Prasher, Directeur de laboratoire associé de Berkeley Lab pour les systems énergétiques. « Avec les matériaux DRX, cela offre aux batteries au lithium le potentiel de constituer la base des technologies de batteries durables pour l’avenir. »



La cathode est l’une des deux électrodes d’une batterie et représente in addition d’un tiers du coût d’une batterie. Actuellement, la cathode des batteries lithium-ion utilise une classe de matériaux connue sous le nom de NMC, avec le nickel, le manganèse et le cobalt comme ingrédients clés.

« Je fais des recherches sur les cathodes depuis furthermore de 20 ans, à la recherche de nouveaux matériaux, et le DRX est de loin le meilleur nouveau matériau que j’aie jamais vu », a déclaré Gerbrand Ceder, scientifique en charge des batteries au Berkeley Lab, qui co-dirige la recherche. « Avec la classe NMC actuelle, qui se limite au nickel, au cobalt et à un composant inactif en manganèse, la batterie lithium-ion classique est à la fin de sa courbe de effectiveness à moins que vous ne passiez à de nouveaux matériaux de cathode, et c’est ce que le Offres du programme DRX. Les matériaux DRX ont une énorme flexibilité de composition – et c’est très puissant motor vehicle non seulement vous pouvez utiliser toutes sortes de métaux abondants dans une cathode DRX, mais vous pouvez également utiliser n’importe quel type de métal pour résoudre tout problème qui pourrait survenir pendant les premières étapes de la conception de nouvelles batteries. C’est pourquoi nous sommes si enthousiastes.  »

Risques liés à la chaîne d’approvisionnement du cobalt et du nickel

Le département américain de l’Énergie (DOE) s’est donné pour priorité de trouver des moyens de réduire ou d’éliminer l’utilisation de cobalt dans les batteries.  » L’industrie des batteries est confrontée à une énorme pénurie de ressources « , a déclaré Ceder. « Même à 2 TWh, la fourchette inférieure des projections de la demande mondiale, qui consommerait la quasi-totalité de la output de nickel d’aujourd’hui, et avec le cobalt, nous ne sommes même pas proches. La generation de cobalt n’est aujourd’hui que d’environ 150 kilotonnes, et 2 TWh de puissance de batterie seraient nécessitent 2 000 kilotonnes de nickel et de cobalt dans une certaine combinaison.  »

De as well as, in addition des deux tiers de la generation mondiale de nickel sont actuellement utilisés pour fabriquer de l’acier inoxydable. Et plus de la moitié de la creation mondiale de cobalt provient de la République démocratique du Congo, la Russie, l’Australie, les Philippines et Cuba complétant les cinq premiers producteurs de cobalt.

En revanche, les cathodes DRX peuvent utiliser à peu près n’importe quel métal à la location du nickel et du cobalt. Les scientifiques du Berkeley Lab se sont concentrés sur l’utilisation du manganèse et du titane, qui sont à la fois in addition abondants et moins coûteux que le nickel et le cobalt.

« L’oxyde de manganèse et l’oxyde de titane coûtent moins de 1 $ le kilogramme, tandis que le cobalt coûte approximativement 45 $ le kilogramme et le nickel approximativement 18 $ », a déclaré Ceder. « Avec DRX, vous avez le potentiel de faire un stockage d’énergie très bon marché. À ce stade, le lithium-ion devient imbattable et peut être utilisé partout – pour les véhicules, le réseau – et nous pouvons vraiment rendre le stockage d’énergie abondant et peu coûteux. »

Ordonné vs désordonné

Ceder et son équipe ont développé des matériaux DRX en 2014. Dans les batteries, le nombre et la vitesse des ions lithium capables de se déplacer dans la cathode se traduisent par la quantité d’énergie et de puissance dont dispose la batterie. Dans les cathodes conventionnelles, les ions lithium traversent le matériau cathodique le long de voies bien définies et s’arrangent entre les atomes de métal de transition (généralement du cobalt et du nickel) en couches ordonnées et ordonnées.

Ce que le groupe de Ceder a découvert, c’est qu’une cathode avec une framework atomique désordonnée pouvait contenir in addition de lithium – ce qui signifie additionally d’énergie – tout en permettant à une in addition substantial gamme d’éléments de servir de métal de changeover. Ils ont également appris que dans ce chaos, les ions lithium peuvent facilement se déplacer.

En 2018, le Motor vehicle Technologies Business office de l’Office of Vitality Efficiency and Renewable Strength du DOE a financé le Berkeley Lab pour qu’il se plonge dans les matériaux DRX. En collaboration avec des scientifiques du Oak Ridge Nationwide Laboratory, du Pacific Northwest National Laboratory et de l’UC Santa Barbara, les équipes du Berkeley Lab dirigées par Ceder et Guoying Chen ont fait d’énormes progrès dans l’optimisation des cathodes DRX dans les batteries lithium-ion.

Par exemple, le taux de charge – ou la vitesse à laquelle la batterie peut se charger – de ces matériaux était initialement très faible, et sa stabilité était également médiocre. L’équipe de recherche a trouvé des moyens de résoudre ces deux problèmes grâce à la modélisation et à l’expérimentation. Des études sur l’utilisation de la fluoration pour améliorer la stabilité ont été publiées dans Sophisticated Functional Products et Highly developed Strength Elements des recherches sur la façon d’activer un taux de charge élevé ont été récemment publiées dans Mother nature Energy.

Étant donné que le DRX peut être fabriqué avec de nombreux éléments différents, les chercheurs ont également travaillé sur l’élément qu’il serait préférable d’utiliser, en atteignant le level idéal d’être abondant, peu coûteux et offrant de bonnes performances. « DRX a maintenant été synthétisé avec presque tout le tableau périodique », a déclaré Ceder.

« C’est la science à son meilleur – des découvertes fondamentales qui serviront de fondement aux systèmes des futures maisons, véhicules et réseaux », a déclaré Noel Bakhtian, directeur du centre de stockage d’énergie de Berkeley Lab. « Ce qui a fait le succès de Berkeley Lab dans l’innovation des batteries depuis des décennies, c’est notre combinaison d’expertises étendues et approfondies – de la découverte fondamentale à la caractérisation, la synthèse et la fabrication, ainsi que les marchés de l’énergie et la recherche sur les politiques. La collaboration est essentielle – nous travaillons en partenariat avec l’industrie et au-delà pour résoudre des problèmes du monde réel, ce qui à son tour contribue à galvaniser la science de pointe que nous faisons au laboratoire.  »

Progression rapide

Les nouveaux matériaux de batterie ont traditionnellement pris 15 à 20 ans pour être commercialisés Ceder pense que les progrès sur les matériaux DRX peuvent être accélérés avec une équipe in addition nombreuse. « Nous avons fait de grands progrès au cours des trois dernières années avec le plongeon profond », a déclaré Ceder. « Nous sommes arrivés à la summary que nous sommes prêts pour une équipe plus importante, nous pouvons donc impliquer des personnes possédant un ensemble de compétences moreover diversifié pour vraiment affiner cela. »

Une équipe de recherche élargie pourrait agir rapidement pour résoudre les problèmes restants, notamment en améliorant la durée de vie (ou le nombre de fois que la batterie peut être rechargée et déchargée au cours de sa durée de vie) et en optimisant l’électrolyte, le milieu chimique qui permet le flux de cost électrique. entre la cathode et l’anode. Depuis son développement dans le laboratoire du Ceder, des groupes en Europe et au Japon ont également lancé de grands programmes de recherche DRX.

 » Les progrès des technologies des batteries et du stockage d’énergie nécessiteront des percées proceeds dans la science fondamentale des matériaux « , a déclaré Jeff Neaton, directeur associé du laboratoire pour les sciences de l’énergie du Berkeley Lab.  » L’expertise, les installations uniques et les capacités de Berkeley Lab en imagerie, calcul et synthèse avancés nous permettent d’étudier des matériaux à l’échelle des atomes et des électrons. Nous sommes bien placés pour accélérer le développement de matériaux prometteurs comme le DRX pour l’énergie propre.