Quel est le matériau de la batterie du futur ?

Les véhicules électriques ont besoin d'une source d'énergie. L'énergie spécifique, la durée de vie, la sécurité et le prix des batteries d'alimentation sont cruciaux pour le développement des véhicules électriques purs. La batterie lithium-ion présente les avantages d'une énergie spécifique élevée, d'une faible autodécharge et d'une longue durée de vie, et constitue actuellement la batterie la plus pratique pour les véhicules électriques.

Après plus de 20 ans de progrès scientifiques et technologiques, les performances des piles à lithium ont été considérablement améliorées. La densité énergétique spécifique des batteries au lithium a presque triplé, passant de moins de 200 Wh/L à plus de 700 Wh/L. Le coût de production est d'environ 3% par rapport à l'original, et le coût de production actuel peut être contrôlé pour être inférieur à 150$/kWh.

Mais cela reste supérieur à l'objectif de $100/kWh prévu par le DOE. La batterie actuelle d'une puissance de 50-100KW.h pèse environ 600 kilogrammes et a un volume d'environ 500L.

La densité énergétique des piles au lithium actuelles étant proche du maximum théorique, l'amélioration de la densité énergétique des piles à lithium se ralentit progressivement. La croissance rapide du marché des batteries rend la réduction du prix des piles à lithium encore plus inaccessible.

À l'inverse, l'essor de la production de batteries au lithium a presque quadruplé le prix du cobalt au cours des deux dernières années, passant de $22 à $81 le kilogramme.

L'augmentation de la demande sur le marché et la hausse rapide des prix ont encouragé certains producteurs à faire des économies et à enfreindre les réglementations en matière d'environnement et de sécurité. En Chine, par exemple, la poussière dégagée par les mines de graphite a endommagé les cultures et contaminé les villages et l'eau potable.

En Afrique, certains propriétaires de mines exploitent le travail des enfants, enfreignant souvent la loi dans de petites mines dépourvues d'équipements de protection tels que des masques à gaz et extrayant le minerai à la main. Certaines entreprises, dont BMW, ont mis en place des politiques strictes de contrôle de leurs fournisseurs de cobalt, ce qui n'est pas le cas d'autres fabricants de véhicules électriques.

La solution la plus simple consiste à développer des électrodes alternatives peu coûteuses pour les métaux couramment utilisés, tels que le fer et le cuivre. Selon le professeur Gleb Yushin et ses collègues du Georgia Institute of Technology d'Atlanta, les "matériaux de cathode de type conversion" les plus prometteurs sont les fluorures de cuivre ou de fer ou le silicium.

Elles stockent le lithium chimiquement, mais la technologie en est encore à ses débuts. Les problèmes de stabilité, de vitesse de charge et de fabrication doivent être résolus pour une application pratique.

Le professeur Gleb Yushin a appelé les spécialistes des matériaux, les ingénieurs et les organismes de financement à donner la priorité à la recherche et au développement d'électrodes basées sur des éléments abondants. Dans le cas contraire, le déploiement des véhicules électriques sera fortement compromis dans une décennie.

Le nickel et le cobalt sont rares et chers

Dans les batteries commerciales actuelles pour véhicules électriques, les ions lithium sont piégés dans de minuscules vides dans les cristaux qui constituent les électrodes (on parle d'électrodes intercalées). L'électrode négative est généralement constituée de graphite et l'électrode positive est composée d'oxydes métalliques.

Les matériaux cathodiques ternaires courants comprennent l'oxyde de nickel-cobalt-aluminium (NCA, tel que LiNi0,8Co0,15Al0,05O2) ou l'oxyde de nickel-cobalt-manganèse (NCM, tel que LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 ou LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2).

Une cathode de batterie lithium-ion de 100 kg nécessite généralement 6 à 12 kg de cobalt et 36 à 48 kg de nickel. Bien que le cobalt soit généralement un sous-produit de l'extraction du cuivre et du nickel, sa séparation des autres métaux nécessite des processus complexes. La plupart des gisements ne contiennent que 0,003% de cobalt métal, et peu de gisements de cobalt sont suffisamment concentrés pour mériter d'être exploités.

Ainsi, sur les 1 015 tonnes de cobalt stockées sur terre, seules 107 tonnes peuvent être utilisées. De même, seules 108 tonnes des 1 015 tonnes de réserves mondiales de nickel ont une valeur minière commerciale.

Les minéraux riches en cobalt ne se trouvent plus que dans quelques endroits. Le Congo (RDC) a fourni la moitié (56%) des 148 000 tonnes de cobalt produites dans le monde en 2015. La majeure partie de cette production est destinée à la Chine, qui dispose de 200 000 à 400 000 tonnes de cobalt en stock.

L'Australie possède 14% des réserves mondiales de cobalt, qui peuvent déjà être extraites des grands fonds marins, mais les coûts d'extraction, l'écologie et l'économie sont trop élevés pour être pleinement exploités et utilisés.

De même, la production de nickel est dominée par une douzaine de pays. En 2017, l'Indonésie, les Philippines, le Canada, la Nouvelle-Calédonie, la Russie et l'Australie ont fourni ensemble 72% des 2,1 millions de tonnes de minerai mondial.

Mais moins d'un dixième de cette production est destiné aux batteries au lithium ; le reste est principalement utilisé dans l'acier et l'électronique. Bien que l'extraction du nickel soit moins coûteuse que celle du cobalt, l'augmentation de la demande a fait grimper les prix du nickel d'environ 50 % depuis 2015, passant de $9 à $14 le kilogramme.

Le cobalt et le nickel ont tous deux connu des hausses et des baisses de prix soudaines. Par exemple, les perturbations de l'offre en Australie, la demande accrue d'acier en Chine et la spéculation des gestionnaires de fonds spéculatifs ont multiplié par cinq les prix du nickel, tandis que les prix du cobalt ont triplé en 2008-2009.

Pénuries de cobalt et de nickel attendues

Si cette tendance se poursuit, le cobalt et le nickel connaîtront un déficit d'approvisionnement d'ici 20 ans. Alors que la demande en LIB continue de croître, le cobalt devrait être en pénurie d'ici 2030 et le nickel pourrait être en rupture de stock d'ici 2037. Bien que nous puissions extraire du minerai de moindre qualité, l'augmentation des coûts de traitement fera grimper les prix du cobalt et du nickel.

Les fabricants de véhicules électriques et le gouvernement s'attendent à ce que 10 à 20 millions de véhicules électriques soient produits chaque année d'ici 2025. Si la batterie de chaque voiture nécessite 10 kg de cobalt, d'ici 2025, les véhicules électriques nécessiteront à eux seuls 100 à 200 000 tonnes de cobalt par an, ce qui représente actuellement la majorité de la production mondiale. De même, 400 à 800 000 tonnes de nickel sont nécessaires chaque année, soit l'équivalent de 20 à 40% de tous les métaux aujourd'hui.

Lorsque les camions, les bus, les avions et les bateaux utilisent des batteries d'alimentation, il faut davantage de batteries. D'ici 2050, 500 à 800 000 tonnes de cobalt seront nécessaires pour produire 50 à 80 millions de véhicules électriques par an. Après 2030, cette quantité dépassera de loin la capacité d'extraction actuelle.

De même, d'ici 2050, la demande de nickel sera multipliée par 2 ou 3. Les pénuries de nickel seront évidentes à la mi-2030, et le recyclage ne pourra pas reconstituer les stocks. La durée de vie d'une batterie lithium-ion est de 15 à 20 ans, soit trois fois celle d'une batterie plomb-acide de 5 à 7 ans. Lorsque l'offre atteindra son maximum, nous estimons que le prix des batteries de VE pourrait augmenter de plus de $1 000.

Quelle est la voie à suivre pour les matériaux des batteries à l'avenir ?

La réponse consiste à utiliser des métaux conventionnels (fer, cuivre) pour produire des matériaux pour les cathodes des batteries lithium-ion. Le fer, par exemple, est non seulement bon marché (6 cents/kg) mais aussi abondant (76 milliards de tonnes). Comme les matériaux traditionnels riches en fer (LiFePO4) et en manganèse (LiMnO2 ou LiMn2O4) présentent divers inconvénients à l'usage, l'alternative la plus prometteuse est l'utilisation de "matériaux cathodiques de remplacement" dans les électrodes.

Le fluorure de cuivre/fer et le silicium, qui réagissent chimiquement avec les ions lithium pour permettre le stockage du lithium, peuvent contenir six fois plus d'énergie que les cathodes standard.

Mécanisme de conversion du matériau cathodique : Sa réaction de conversion électrochimique est un nouveau mécanisme de stockage du lithium différent de la réaction traditionnelle d'intercalation/extraction des ions lithium.

Le processus de réaction comporte de multiples transferts d'électrons, de sorte que les matériaux d'électrode basés sur le mécanisme de réaction de conversion électrochimique ont une capacité spécifique théorique très élevée. Ces matériaux d'électrode sont principalement composés d'oxydes de métaux de transition, de sulfures ou de fluorures.

Parmi eux, les fluorures de métaux de transition ont un potentiel de fonctionnement plus élevé en raison de leurs fortes liaisons ioniques et conviennent mieux comme matériaux de cathode pour les batteries lithium-ion. Parmi eux, les matériaux à base de silicium conviennent très bien pour l'adaptation.

Lorsque ces deux matériaux seront utilisés avec succès, les batteries qui alimentent les véhicules électriques pourraient être réduites de moitié, tandis que le coût, le poids et le volume pourraient être réduits de moitié ou plus.

Mais pour atteindre cet objectif, les chercheurs spécialisés dans les batteries doivent mettre au point des matériaux fluorés très performants et des électrolytes plus efficaces. Les ingénieurs doivent travailler dur pour mettre au point des équipements et des procédés qui utilisent ces matériaux.

En outre, les piles préparées à partir de matériaux de conversion présentent certains inconvénients, tels qu'une faible conductivité, des performances médiocres en termes de taux et de graves réactions secondaires entre les matériaux de conversion et l'électrolyte.

Les films SEI positifs et négatifs sont plus épais et présentent une hystérésis de tension, et les électrodes se dilatent et se contractent sérieusement après la charge.

Introduction aux matériaux alternatifs

Par rapport à l'électrode à matériau d'intercalation, la rupture et la formation des liaisons se produisent avant et après la combinaison du matériau de conversion et du Li au cours du processus de charge et de décharge. Une fois que le Li pénètre dans le FeF2, après la rupture de la liaison Fe-F, le Li et le F se lient à nouveau pour former le LiF (type A).

Les informations contenues dans chaque élément sont présentées dans l'exemple de la figure :
La ligne 1 représente le type d'élément.
La ligne 2 représente l'abondance de l'élément dans la croûte.
La ligne 3 représente le prix moyen du métal ou de l'élément au cours des cinq dernières années.
Les lignes 4 et 5 représentent l'impact de l'élément sur l'environnement et sur l'homme, respectivement.

Conclusion

Les ressources en cobalt et en nickel pour les piles au lithium seront insuffisantes vers 2030, et le développement de matériaux ternaires ne pourra pas être durable.

À l'avenir, le nouveau matériau de la cathode devra être un matériau à haut potentiel supérieur au matériau actuel de la cathode à intercalation.

L'adaptation des matériaux à base de silicium aux nouveaux matériaux de cathode devrait non seulement améliorer la densité énergétique, mais aussi réduire considérablement le coût des batteries lithium-ion.