la percée de Tokyo dans la technologie des batteries sans cobalt

Le remplacement du cobalt dans les batteries évite ses impacts environnementaux et sociaux.

Les batteries rechargeables fiables et de grande capacité sont un composant essentiel de nombreux appareils et même de modes de transport. Ils jouent un rôle clé dans la transition vers un monde plus vert. Une grande variété d’éléments sont utilisés dans leur production, notamment le cobalt, dont la production contribue à certains problèmes environnementaux, économiques et sociaux. Pour la première fois, une équipe comprenant des chercheurs de l’Université de Tokyo présente une alternative viable au cobalt qui, à certains égards, peut surpasser la chimie de pointe des batteries. Il survit également à un grand nombre de cycles de recharge, et la théorie sous-jacente peut être appliquée à d’autres problèmes.

L’ubiquité et les défis des LIB

Il y a de fortes chances que vous lisiez cet article sur un ordinateur portable ou un smartphone, et sinon, vous en possédez probablement au moins un. À l’intérieur de chaque appareil, et bien d’autres, vous trouverez une batterie lithium-ion (LIB). Depuis des décennies, les LIB constituent le moyen standard d’alimenter les appareils et machines électroniques portables ou mobiles.

Alors que le monde abandonne les combustibles fossiles, ceux-ci sont considérés comme une étape importante pour leur utilisation dans les voitures électriques et les batteries domestiques pour ceux qui disposent de panneaux solaires. Mais tout comme les batteries ont une extrémité positive et une extrémité négative, les LIB ont des points négatifs comparés à leurs points positifs.

D’une part, bien qu’elles soient parmi les sources d’alimentation portables les plus gourmandes en énergie disponibles, de nombreuses personnes souhaitent que les LIB puissent produire une plus grande densité d’énergie pour leur permettre de durer plus longtemps ou d’alimenter des machines encore plus exigeantes. En outre, ils peuvent survivre à un grand nombre de cycles de recharge, mais ils se dégradent également avec le temps ; il serait préférable pour tout le monde que les batteries puissent survivre à davantage de cycles de recharge et conserver leurs capacités plus longtemps. Mais le problème le plus alarmant des LIB actuels réside peut-être dans l’un des éléments utilisés pour leur construction.

Le dilemme du cobalt

Le cobalt est largement utilisé pour un élément clé des LIB, les électrodes. Toutes les batteries fonctionnent de la même manière : deux électrodes, une positive et une négative, favorisent le flux d’ions lithium entre elles dans ce qu’on appelle l’électrolyte lorsqu’elles sont connectées à un circuit externe. Le cobalt est cependant un élément rare ; si rare en fait qu’il n’en existe actuellement qu’une seule source principale : une série de mines situées en République démocratique du Congo. De nombreux problèmes ont été signalés au fil des années concernant les conséquences environnementales de ces mines, ainsi que les conditions de travail qui y règnent, y compris le recours au travail des enfants. Du point de vue de l’approvisionnement également, la source du cobalt constitue un problème en raison de l’instabilité politique et économique de la région.

« Il existe de nombreuses raisons pour lesquelles nous souhaitons abandonner l’utilisation du cobalt afin d’améliorer les batteries lithium-ion », a déclaré le professeur Atsuo Yamada du Département de génie des systèmes chimiques. « Pour nous, le défi est technique, mais son impact pourrait être environnemental, économique, social et technologique. Nous sommes heureux d’annoncer une nouvelle alternative au cobalt en utilisant une nouvelle combinaison d’éléments dans les électrodes, notamment le lithium, le nickel, le manganèse, le silicium et l’oxygène – tous des éléments beaucoup plus courants et moins problématiques à produire et à utiliser.

Développements prometteurs

Les nouvelles électrodes et électrolytes créés par Yamada et son équipe sont non seulement dépourvus de cobalt, mais ils améliorent en fait la chimie actuelle des batteries à certains égards. La densité énergétique des nouveaux LIB est environ 60 % plus élevée, ce qui pourrait équivaloir à une durée de vie plus longue, et ils peuvent fournir 4,4 volts, contre environ 3,2 à 3,7 volts des LIB classiques. Mais l’une des réalisations technologiques les plus surprenantes a été l’amélioration des caractéristiques de recharge. Les batteries de test dotées de la nouvelle chimie ont pu se charger et se décharger complètement sur 1 000 cycles (simulant trois années d’utilisation et de charge complètes), tout en ne perdant qu’environ 20 % de leur capacité de stockage.

« Nous sommes ravis des résultats obtenus jusqu’à présent, mais y arriver n’a pas été sans difficultés. Il s’agissait d’une lutte visant à supprimer diverses réactions indésirables qui se produisaient dans les premières versions de nos nouvelles compositions chimiques de batterie, ce qui aurait pu réduire considérablement la longévité des batteries », a déclaré Yamada. « Et nous avons encore du chemin à parcourir, car il reste des réactions mineures à atténuer afin d’améliorer encore davantage la sécurité et la longévité. À l’heure actuelle, nous sommes convaincus que cette recherche aboutira à des batteries améliorées pour de nombreuses applications, mais certaines, où une durabilité et une durée de vie extrêmes sont requises, pourraient ne pas être satisfaites pour l’instant.

Bien que Yamada et son équipe explorent les applications des LIB, les concepts qui sous-tendent leur développement récent peuvent être appliqués à d’autres processus et dispositifs électrochimiques, notamment à d’autres types de batteries, à la division de l’eau (pour produire de l’hydrogène et de l’oxygène), à ​​la fusion du minerai, à l’électrorevêtement. , et plus.