Nouvelle percée en matière de batterie : cathodes de sel gemme et de polyanion

De nouvelles recherches ont permis de progresser dans l’augmentation de la densité énergétique pratique de la batterie.

Demand for batteries is on the rise worldwide, thanks to their increasing use in the automotive industry, the growing popularity of portable consumer electronics, and stringent environmental regulations. As a result, the global battery market is projected to reach $800 billion by 2036, up from about $120 billion in 2023.

La demande de batteries est en augmentation dans le monde entier, grâce à leur utilisation croissante dans l’industrie automobile, à la popularité croissante des appareils électroniques grand public portables et à des réglementations environnementales strictes. En conséquence, le marché mondial des batteries devrait atteindre 800 milliards de dollars d’ici 2036, contre environ 120 milliards de dollars en 2023.

In light of this expected growth, researchers are continuously developing and testing new materials and chemicals to improve critical parts of batteries, which affect properties such as energy output, energy storage, power capacity, and cycling capacity.

À la lumière de cette croissance attendue, les chercheurs développent et testent continuellement de nouveaux matériaux et produits chimiques pour améliorer les parties critiques des batteries, qui affectent des propriétés telles que la production d'énergie, le stockage d'énergie, la capacité électrique et la capacité de cyclage.

These components include a cathode (positive electrode), an anode (negative electrode), an electrolyte (for ion transportation between electrodes), and a separator.  

Ces composants comprennent une cathode (électrode positive), une anode (électrode négative), un électrolyte (pour le transport des ions entre les électrodes) et un séparateur.

Most battery-powered devices today, such as EVs, smartphones, and energy storage systems, rely on lithium-ion battery technology. Lithium-ion batteries can store a huge amount of energy in compact sizes, charge fast, and last long.

Aujourd’hui, la plupart des appareils alimentés par batterie, tels que les véhicules électriques, les smartphones et les systèmes de stockage d’énergie, s’appuient sur la technologie des batteries lithium-ion. Les batteries lithium-ion peuvent stocker une énorme quantité d’énergie dans des formats compacts, se charger rapidement et durer longtemps.

However, with the growing demand for batteries with greater capabilities, new technologies are being researched and developed to improve efficiency, reduce cost, enhance safety, and promote sustainability.

Cependant, avec la demande croissante de batteries dotées de plus grandes capacités, de nouvelles technologies sont recherchées et développées pour améliorer l'efficacité, réduire les coûts, améliorer la sécurité et promouvoir la durabilité.

Over the years, continuous research has led to advancements that offer promising alternatives to lithium-ion and lead-acid batteries. 

Au fil des années, des recherches continues ont conduit à des avancées offrant des alternatives prometteuses aux batteries lithium-ion et au plomb.

Sodium-ion batteries offer a more affordable and safer option that performs better at lower temperatures. These batteries are similar to lithium-ion batteries but utilize saltwater as an electrolyte, making them more suitable for energy storage, though they are yet to be optimized. Researchers are even using electrolyte gel to make nanowires more resilient and fit for battery use. 

Les batteries sodium-ion offrent une option plus abordable et plus sûre qui fonctionne mieux à des températures plus basses. Ces batteries sont similaires aux batteries lithium-ion mais utilisent l’eau salée comme électrolyte, ce qui les rend plus adaptées au stockage d’énergie, même si elles doivent encore être optimisées. Les chercheurs utilisent même du gel électrolytique pour rendre les nanofils plus résistants et adaptés à l’utilisation des batteries.

Solid-state batteries, on the other hand, use a solid electrolyte such as glass, ceramic, or polymer instead of gel or liquid electrolyte. These batteries are far more efficient, weigh less, charge faster, and are already being used in smartphones and pacemakers. Toyota and BMW are currently working on launching solid-state battery-powered cars, though it will still take a few years.

Les batteries à semi-conducteurs, quant à elles, utilisent un électrolyte solide tel que du verre, de la céramique ou un polymère au lieu d'un gel ou d'un électrolyte liquide. Ces batteries sont bien plus efficaces, pèsent moins, se chargent plus rapidement et sont déjà utilisées dans les smartphones et les stimulateurs cardiaques. Toyota et BMW travaillent actuellement au lancement de voitures alimentées par batterie à semi-conducteurs, même si cela prendra encore quelques années.

New battery technologies further include lithium-sulfur batteries, which are cost-efficient but have a durability limitation, and cobalt-free lithium-ion batteries, which can help address human rights concerns in cobalt mining. However, alternatives like TAQ are still new and need more testing.

Les nouvelles technologies de batteries comprennent en outre les batteries lithium-soufre, qui sont rentables mais dont la durabilité est limitée, et les batteries lithium-ion sans cobalt, qui peuvent contribuer à répondre aux préoccupations en matière de droits de l'homme dans l'exploitation minière du cobalt. Cependant, les alternatives comme TAQ sont encore nouvelles et nécessitent davantage de tests.

Zinc-based batteries are also being explored, with technologies including zinc-manganese dioxide, zinc-air, zinc-bromine, and zinc-ion batteries. However, they are inefficient, sometimes involve unexpected chemical conversion reactions, and are expensive to manufacture, requiring more research.

Les batteries à base de zinc sont également explorées, avec des technologies telles que les batteries zinc-dioxyde de manganèse, zinc-air, zinc-brome et zinc-ion. Cependant, ils sont inefficaces, impliquent parfois des réactions de conversion chimique inattendues et sont coûteux à fabriquer, nécessitant davantage de recherches.

As the world increasingly relies on batteries, scientists globally are focused on achieving breakthroughs in storage times, power output, production costs, and instant readiness.

Alors que le monde dépend de plus en plus des batteries, les scientifiques du monde entier se concentrent sur la réalisation de percées en matière de durée de stockage, de puissance de sortie, de coûts de production et de disponibilité instantanée.

Latest Battery Breakthrough: Rock Salt-polyanion Cathodes 

Dernière percée en matière de batterie : cathodes sel gemme-polyanion

New research has made an advancement in increasing the practical energy density of the battery. Published in Nature Energy late last month, the study titled “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” was conducted by the MIT Department of Nuclear Science and Engineering.

De nouvelles recherches ont permis de progresser dans l’augmentation de la densité énergétique pratique de la batterie. Publiée dans Nature Energy à la fin du mois dernier, l'étude intitulée « Cathodes intégrées de sel gemme et de polyanion avec un excès de lithium et un cycle stabilisé » a été menée par le Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires du MIT.

The study focuses on a new cathode material found in disordered rock salt, which has been studied as an advanced cathode material for use in lithium-ion batteries for over a decade. 

L’étude se concentre sur un nouveau matériau cathodique trouvé dans le sel gemme désordonné, qui a été étudié comme matériau cathodique avancé destiné à être utilisé dans les batteries lithium-ion depuis plus d’une décennie.

MIT researchers made sure that the material can create high-energy, low-cost storage for EVs, mobile phones, and renewable energy storage.

Les chercheurs du MIT se sont assurés que le matériau pouvait créer un stockage à haute énergie et à faible coût pour les véhicules électriques, les téléphones mobiles et le stockage d'énergie renouvelable.

Led by Ju Li, the Tokyo Electric Power Company Professor in Nuclear Engineering, the team discovered DRXPS, or disordered rock salt-polyanionic spinel, as the new material.

Dirigée par Ju Li, professeur en génie nucléaire à la Tokyo Electric Power Company, l'équipe a découvert le DRXPS, ou spinelle polyanionique de sel gemme désordonné, comme nouveau matériau.

This new category of partially disordered rock salt cathode, integrated with polyanions, is found to deliver high energy density at high voltages with enhanced cycling stability. This is a great achievement, given that there is typically a trade-off between energy density and cycling stability in cathode materials.

Cette nouvelle catégorie de cathodes de sel gemme partiellement désordonnées, intégrées à des polyanions, s'avère fournir une densité d'énergie élevée à haute tension avec une stabilité de cyclage améliorée. Il s’agit d’une grande réussite, étant donné qu’il existe généralement un compromis entre la densité énergétique et la stabilité du cycle dans les matériaux cathodiques.

“With this work, we aim to push the envelope by designing new cathode chemistries.”

"Avec ce travail, nous visons à repousser les limites en concevant de nouvelles chimies cathodiques."

– Yimeng Huang, the paper’s first author, a postdoc at the NSE

– Yimeng Huang, premier auteur de l'article, postdoctorant au NSE

Now, how is the new material family able to achieve both high energy density and good cycling stability? The answer lies in the integration of two key cathode materials — rock salt and polyanionic olivine. By combining them, it was able to get both of their benefits.

Maintenant, comment la nouvelle famille de matériaux est-elle capable d’atteindre à la fois une densité énergétique élevée et une bonne stabilité cyclique ? La réponse réside dans l’intégration de deux matériaux cathodiques clés : le sel gemme et l’olivine polyanionique. En les combinant, il a pu obtenir leurs deux avantages.

Another thing at play here is manganese (Mn), a hard, silvery metal found in abundance on Earth and much cheaper than other elements currently used in today’s cathodes. 

Un autre élément en jeu ici est le manganèse (Mn), un métal dur et argenté que l'on trouve en abondance sur Terre et beaucoup moins cher que les autres éléments actuellement utilisés dans les cathodes d'aujourd'hui.

For example, Manganese is about thirty times less expensive than Cobalt (Co) and five times less expensive than Nickel (Ni), both of which are commonly used in batteries. Additionally, Manganese plays a crucial role in achieving higher energy densities. 

Par exemple, le manganèse est environ trente fois moins cher que le cobalt (Co) et cinq fois moins cher que le nickel (Ni), tous deux couramment utilisés dans les batteries. De plus, le manganèse joue un rôle crucial dans l’obtention de densités énergétiques plus élevées.

“(Having such a) material be much more earth-abundant is a tremendous advantage.”

"(Avoir un tel) matériau beaucoup plus abondant sur terre est un énorme avantage."

– Li, a professor of materials science and engineering

– Li, professeur de science et d'ingénierie des matériaux

This advantage, according to the researchers, is of great value to a zero-carbon future which requires renewable energy infrastructure. 

Cet avantage, selon les chercheurs, est d’une grande valeur pour un avenir sans carbone qui nécessite des infrastructures d’énergies renouvelables.

Batteries can play an important

Les batteries peuvent jouer un rôle important