Quelle est la voie à suivre pour les matériaux de batteries dix ans plus tard ?

Arguments fondamentaux en faveur des matériaux pour batteries

Les ressources en cobalt et en nickel utilisées pour les piles au lithium seront insuffisantes vers 2030, et le développement de matériaux ternaires dans les piles sera inévitablement non durable.

Les futurs nouveaux matériaux cathodiques des batteries doivent être des matériaux à haut potentiel meilleurs que les matériaux cathodiques intégrés actuels.

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

Les véhicules électriques ont besoin de sources 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, et la batterie lithium-ion présente les avantages d'une énergie spécifique élevée, d'une faible autodécharge et d'une longue durée de vie, ce qui en fait la batterie la plus pratique pour les véhicules électriques.

Après plus de 20 ans de progrès technologiques, les performances des piles à combustible ont été considérablement améliorées.

La densité énergétique spécifique des batteries au lithium a presque triplé, passant de moins de 200Wh / L à plus de 700Wh / L. Le coût de production est d'environ 3% de l'original, et le coût de production contrôlable actuel est inférieur à 150$ / kWh.

Mais ce chiffre 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 kg, et son volume est également d'environ 500 L.

La densité énergétique des piles au lithium étant désormais proche du maximum théorique, la densité énergétique des piles à lithium liquide ralentit progressivement. La croissance rapide du marché des batteries rend encore plus inaccessible la réduction des prix des piles au lithium.

À l'inverse, l'essor de la production de batteries lithium-ion au cours des deux dernières années a presque multiplié par deux le prix du cobalt utilisé comme matériau pour les batteries, qui est passé de $22 à $81 par kilogramme.

L'augmentation de la demande sur le marché et la hausse rapide des prix ont encouragé certains producteurs à prendre des raccourcis 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 mineurs exploitent des enfants, enfreignant souvent la loi dans de petites mines dépourvues de masques à gaz et d'autres équipements de protection.

Certaines entreprises, dont BMW, ont mis en place des politiques strictes pour pousser leurs fournisseurs de cobalt, ce qui n'est pas le cas d'autres fabricants de voitures électriques. La solution la plus simple pour les matériaux des batteries consiste à développer des électrodes de conversion bon marché pour les métaux couramment utilisés tels que le fer et le cuivre.

Les matériaux cathodiques de type conversion les plus prometteurs dans les batteries, tels que le fluorure ou le silicium de cuivre ou de fer, stockent chimiquement le lithium, mais la technologie en est encore à ses débuts. Ils stockent chimiquement le lithium, mais la technologie en est encore à ses débuts.

Les problèmes de stabilité, de vitesse de chargement et de fabrication doivent être surmontés pour les applications pratiques.

Les experts appellent les spécialistes des matériaux, les ingénieurs et les agences de financement à donner la priorité à la recherche et au développement d'électrodes basées sur des éléments riches. Sinon, la promotion des voitures électriques sera durement touchée dans une décennie.

Le nickel et le cobalt sont rares et chers

Dans les batteries commerciales actuelles pour véhicules électriques, les ions lithium, utilisés comme matériaux de batterie, sont liés à de minuscules vides dans les cristaux qui constituent les électrodes (ces électrodes sont appelées électrodes intercalées). L'anode est généralement constituée de graphite et l'électrode de la cathode est constituée d'oxydes métalliques.

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

Les matériaux d'une batterie lithium-ion de 100 kg utilisés comme électrode cathodique nécessitent généralement 6 à 12 kg de cobalt et 36 à 48 kg de nickel.

Dans les matériaux pour batteries, le cobalt, qui est généralement un sous-produit de l'extraction du cuivre et du nickel, nécessite également des processus complexes pour être séparé des autres métaux. La plupart des gisements ne contiennent que 0,003% de cobalt métal, et peu de gisements de cobalt sont si concentrés qu'ils valent la peine d'être exploités.

Ainsi, sur les 1 015 tonnes de cobalt stockées sur terre, seules 107 tonnes peuvent être utilisées. De même, sur les 1 015 tonnes de réserves mondiales de nickel, seules 108 tonnes sont commercialement disponibles pour les matériaux des batteries.

En tant que matériaux de batterie, les minéraux riches en cobalt ne se trouvent plus qu'à quelques endroits. Le Congo africain (RDC) fournit la moitié du total mondial (56%) des 148 000 tonnes de cobalt en 2015.

La majeure partie est destinée à la Chine, qui dispose de 200 000 à 400 000 tonnes de stocks de cobalt. L'Australie possède 14% des réserves mondiales de cobalt, qui peuvent déjà être extraites des grands fonds marins, mais les coûts écologiques et économiques sont trop élevés pour être pleinement exploités.

De même, la production de nickel est dominée par plus d'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 produites dans le monde. Mais moins d'un dixième est utilisé dans les batteries au lithium comme matériaux de batterie ; le reste est utilisé principalement pour l'acier et l'électronique.

Bien que le coût d'extraction du nickel soit inférieur à celui du cobalt, la croissance de la demande a fait augmenter le prix du nickel d'environ 50%, passant de $9 à $14 par kilogramme depuis 2015.

Dans le domaine des matériaux pour batteries, le cobalt et le nickel ont connu des hausses et des baisses de prix soudaines. Par exemple, les perturbations de l'offre en Australie, l'augmentation de la demande chinoise d'acier et la spéculation des gestionnaires de fonds spéculatifs ont triplé les prix du nickel, tandis que le cobalt a 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 de piles à lithium continue de croître, le cobalt devrait chuter d'ici 2030 et le nickel pourrait être en rupture de stock d'ici 2037. Bien que nous puissions extraire du minerai de mauvaise qualité, l'augmentation des coûts de traitement fera grimper les prix du cobalt et du nickel.

Les fabricants de véhicules électriques et le gouvernement espèrent produire entre 10 et 20 millions de véhicules électriques par an d'ici 2025. Si chaque batterie de voiture nécessite 10 kg de cobalt comme matériau de batterie, les voitures électriques à elles seules auront besoin de 100 000 à 200 000 tonnes de cobalt par an d'ici 2025, soit la majeure partie de la production mondiale actuelle.

De même, 400 000 à 800 000 tonnes de nickel sont nécessaires chaque année, soit l'équivalent de 20 à 40% de tous les métaux actuels. Il faut davantage de batteries lorsque les camions, les autobus, les avions, les navires et les véhicules utilitaires légers utilisent des batteries d'alimentation. batterie de moto.

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 demande dépassera de loin la capacité minière actuelle.

De même, d'ici 2050, la demande de nickel sera multipliée par 2 ou 3. Des pénuries de nickel apparaîtront dès le milieu de l'année 2030 et le recyclage ne permettra pas de reconstituer les stocks.

En effet, 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, le prix estimé des batteries de voitures électriques pourrait augmenter de plus de $1 000.

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

La réponse consiste à utiliser des métaux conventionnels (fer, cuivre) pour produire des matériaux de batteries lithium-ion pour l'électrode de la cathode. Le fer, par exemple, est bon marché (6 cents/kg) et abondant (76 milliards de tonnes).

Étant donné que les matériaux traditionnels riches en fer (LiFePO4) et les matériaux riches en manganèse (LiMnO2 ou LiMn2O4), utilisés comme matériaux de batterie, présentent divers défauts à l'usage, l'alternative la plus prometteuse consiste à utiliser un "matériau de cathode de remplacement" dans l'électrode.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les matériaux cathodiques, veuillez lire le document suivant Les 5 premières entreprises de matériaux cathodiques à base de phosphate de fer lithié en Chine en 2022 sur notre site web. Le cuivre, le fluorure de fer et le silicium peuvent réagir chimiquement avec les ions lithium pour permettre le stockage du lithium, et peuvent contenir six fois plus d'énergie que l'électrode cathodique 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 du lithium-ion.

Il y a de multiples transferts d'électrons dans le processus de réaction, de sorte que les matériaux d'électrode dans les batteries basées sur le mécanisme de réaction de conversion électrochimique ont une capacité spécifique théorique très élevée.

Ce type de matériau d'électrode se compose principalement d'oxyde, de sulfure ou de fluorure de métaux de transition, parmi lesquels le fluorure de métaux de transition présente un potentiel de fonctionnement élevé en raison de sa forte liaison ionique.

Ce type de matériaux de batterie convient mieux au matériau de cathode des batteries lithium-ion. Parmi eux, les matériaux à base de silicium conviennent parfaitement.

Une fois que 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 batteries fabriquées à partir de matériaux de conversion présentent certaines lacunes, telles qu'une faible conductivité et des performances de taux médiocres ; de graves réactions secondaires entre le matériau de conversion et l'électrolyte ; les films SEI de la cathode et de l'anode sont plus épais et présentent une hystérésis de tension. L'expansion et la contraction de l'électrode sont plus importantes après la charge.