Progrès dans le domaine des batteries - L'Espagne développe des batteries au calcium pour remplacer les batteries au lithium
Des chercheurs espagnols travailleraient sur un prototype de batterie utilisant du calcium au lieu du lithium.Depuis la découverte de l'électricité, les inventeurs se sont efforcés de trouver des moyens de stocker l'électricité. Il n'a pas fallu longtemps pour que les batteries deviennent la forme la plus courante de stockage de l'énergie chimique.
Mais pour rendre la batterie portable et rechargeable, il leur a fallu des siècles pour ajuster la combinaison des éléments de la batterie, et finalement former le dispositif de batterie que les humains vivent et produisent aujourd'hui.
Objectif de la recherche et du développement
Véritables protagonistes de l'ère des appareils électroniques portables, les batteries lithium-ion semblent promises à un succès sans précédent. L'extraction du lithium est coûteuse et sa manipulation dangereuse, ce qui rend son traitement et son recyclage difficiles.
La demande de lithium dépasse les ressources disponibles. Les ressources en lithium se caractérisent par leur isolement géographique (on les trouve par exemple dans les régions sauvages d'Australie), ce qui ajoute à la complexité de la chaîne d'approvisionnement en lithium.
Les chiffres de l'UE montrent que d'ici 2050, l'UE aura besoin de 60 fois plus de lithium qu'elle n'en fournit actuellement pour répondre à la demande de batteries pour les véhicules électriques et stocker l'énergie renouvelable nécessaire pour atteindre les objectifs d'émissions de carbone fixés par le "Green Deal" de l'UE.
Partant de ce constat, les chercheurs tentent d'utiliser les éléments les plus abondants disponibles en Europe pour créer des piles aux propriétés similaires. Des prototypes de piles à base de calcium ont été développés.
Calcium et lithium
Le calcium est placé à côté du lithium dans le tableau périodique. Le programme est financé par un fonds appartenant au Conseil européen de l'innovation et porte le nom de projet CARBAT.
Le calcium est un élément extrêmement commun, environ 2 000 fois plus abondant que le lithium, que l'on trouve dans les os, l'argile et de nombreuses autres substances. Le calcium, l'un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre, n'est pas aussi concentré dans des zones géographiques spécifiques que le lithium. Et si le coût des matières premières est faible, les piles fabriquées à partir de celles-ci peuvent également présenter de tels avantages.
Par rapport aux batteries lithium-ion utilisant le graphite comme électrode négative, l'utilisation du calcium comme électrode négative est plus avantageuse en raison de sa densité énergétique plus élevée, c'est-à-dire la capacité de stocker de l'énergie par kilogramme.
Avec cette configuration, nous pouvons théoriquement atteindre des densités d'énergie très élevées en utilisant un métal comme l'une des électrodes.
Densité énergétique d'une batterie lithium-ion ne peuvent pas atteindre ce niveau parce qu'elles ne peuvent pas utiliser le métal hautement actif qu'est le lithium comme électrode. Cela crée souvent de minuscules structures rigides en forme d'arbre, appelées dendrites, qui peuvent court-circuiter ou même faire exploser la batterie après une utilisation répétée.
Dépistage de nouveaux électrolytes
Dans le cas des véhicules électriques utilisant une batterie de même taille, si vous pouvez trouver la bonne électrode positive, elle sera capable d'augmenter l'autonomie.
Cependant, le processus de sélection des autres composants nécessaires à la construction du prototype de batterie, tels que l'électrolyte dans lequel circulent les ions, est compliqué.
De nombreuses interactions entre les ions calcium et les molécules de solvant se produisent dans l'électrolyte, ce qui réduit la mobilité du calcium. L'excellente conductivité de l'électrolyte permettra aux ions de se déplacer plus rapidement, ce qui augmentera la puissance de la batterie.
Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont développé des modèles de divers sels et solvants afin de trouver un électrolyte qui formerait une couche de passivation sur les électrodes de calcium pour faciliter le mouvement des ions. "Il semble que tous les électrolytes qui fonctionnent contiennent du bore", a déclaré Palacin.
Le développement d'électrolytes conducteurs de calcium est la clé de la réalisation de batteries au calcium rechargeables et fonctionnelles.
C'est pourquoi Patrik Johansson et al. ont adopté la méthode de criblage combinée de la théorie de la fonctionnelle de la densité + le modèle de criblage de type conducteur pour les solvants réels (DFT + COSMO-RS).
Les solvants d'électrolyte et les sels de calcium ont été sélectionnés de manière rationnelle en fonction de leur capacité de solvatation, de leurs fenêtres de stabilité électrochimique (ESW), de leur viscosité, de leur point d'éclair et de leur point d'ébullition.
