Les grandes percées de la batterie présentent une technologie prometteuse

Une nouvelle méthode de synthèse hydrothermale crée un matériau de cathode sans cobalt avec des particules plus uniformes, rondes et serrées (à droite) que ce qui est courant dans les cathodes d'aujourd'hui (à gauche), maintenant plus de stabilité tout au long du cycle de charge de la batterie. Illustration reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire national d'Oak Ridge

Ce moteur à entraînement magnétique à grande vitesse réduit considérablement l'utilisation de matériaux de terres rares tels que le néodyme. Photo publiée avec l'aimable autorisation de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud

Cette image montre la microstructure et la cartographie élémentaire (silicium, oxygène et soufre) d'une couche intermédiaire poreuse contenant du soufre après 500 cycles de charge-décharge dans une cellule de batterie au lithium-soufre. Illustration reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire National d'Argonne

Les ingénieurs de l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ont développé un nouveau procédé pour produire des cathodes meilleures et moins chères à utiliser dans les batteries lithium-ion. Il permet de fabriquer des batteries plus abordables à partir d'un processus plus rapide, moins coûteux et utilisant moins de matériaux toxiques.

Le traitement traditionnel présente de nombreux défis. L'un des principaux obstacles est la dépendance au cobalt, un métal rare extrait et raffiné à l'étranger.

L'équilibre des autres métaux communs dans les cathodes peut également rendre le processus de fabrication plus long et plus dangereux. Par exemple, une concentration élevée en nickel a conduit à l'utilisation généralisée d'une méthode de mélange chimique pour la production de cathodes qui nécessite de grandes quantités d'ammoniac pour les réactions corrosives. L'utilisation de ce produit chimique toxique augmente les coûts, augmente les problèmes de santé et d'environnement et gaspille de grandes quantités d'eau pour réduire l'acidité.

Au lieu d'agiter en continu les matériaux cathodiques avec des produits chimiques dans un réacteur, la nouvelle méthode ORNL utilise une approche de synthèse hydrothermale. Il cristallise la cathode à l'aide de métaux dissous dans l'éthanol. L'éthanol est plus sûr à stocker et à manipuler que l'ammoniac, et il peut ensuite être distillé et réutilisé.

"Ce nouveau procédé offre l'avantage clé de déplacer l'industrie des cathodes vers une production plus propre et plus compétitive, tout en mettant moins de pression sur notre environnement", a déclaré Ilias Belharouak, Ph.D., chercheur principal de l'ORNL pour le projet.

La méthode de synthèse hydrothermale est également beaucoup plus rapide. Le temps nécessaire pour fabriquer des particules et préparer le prochain lot de cathodes passe de quelques jours à 12 heures.

"De plus, le matériau produit contient des particules plus uniformes, rondes et compactes, idéales pour une cathode", explique Rachid Essehli, chercheur principal de l'ORNL. "Parce que ses propriétés sont similaires à celles des cathodes à base de cobalt d'aujourd'hui, le nouveau matériau peut être intégré de manière transparente dans les processus de fabrication de batteries existants. Ce matériau de cathode peut donner plus d'énergie et réduire le coût des batteries de voitures électriques."

Une nouvelle méthode de synthèse hydrothermale crée un matériau de cathode sans cobalt avec des particules plus uniformes, rondes et serrées (à droite) que ce qui est courant dans les cathodes d'aujourd'hui (à gauche), maintenant plus de stabilité tout au long du cycle de charge de la batterie. Illustration reproduite avec l'aimable autorisation du Laboratoire national d'Oak Ridge

Des ingénieurs de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW Sydney) ont mis au point un moteur à entraînement magnétique qui réduit considérablement l'utilisation de matériaux de terres rares tels que le néodyme. Le dispositif à grande vitesse a le potentiel d'augmenter l'autonomie des véhicules électriques.

La conception du prototype de moteur synchrone à aimant permanent intérieur (IPMSM), inspiré de la forme du plus long pont ferroviaire de Corée du Sud, a atteint des vitesses de 100 000 tours par minute. La puissance et la vitesse maximales atteintes par le moteur ont dépassé le record de vitesse élevé existant des IPMSM laminés, ce qui en fait l'IPMSM le plus rapide au monde jamais construit avec des matériaux de stratification commercialisés.

Le moteur est capable de produire une densité de puissance très élevée, ce qui est bénéfique pour les véhicules électriques en réduisant le poids total et en augmentant l'autonomie pour une charge donnée.

Un IPMSM a des aimants intégrés dans ses rotors pour créer un couple puissant pour une plage de vitesse étendue. Cependant, les conceptions existantes souffrent d'une faible résistance mécanique en raison de ponts de fer minces dans leurs rotors, ce qui limite leur vitesse maximale.

Le dispositif UNSW présente une nouvelle topologie de rotor qui améliore considérablement la robustesse, tout en réduisant la quantité de matériaux de terres rares par unité de production d'énergie. Il est basé sur les propriétés techniques du pont ferroviaire de Gyopo, une structure en arc à double attache, ainsi qu'une technique de répartition des contraintes mécaniques basée sur la courbe composée.

"L'une des tendances pour les véhicules électriques est d'avoir des moteurs qui tournent à des vitesses plus élevées", explique Guoyu Chu, Ph.D., spécialiste en génie électrique à l'UNSW. "Chaque fabricant de véhicules électriques essaie de développer des moteurs à grande vitesse. La raison en est que la nature de la loi de la physique vous permet alors de réduire la taille de cette machine. Et, avec une machine plus petite, elle pèse moins et consomme moins d'énergie ; par conséquent, cela donne au véhicule une autonomie plus longue.

"Avec ce projet de recherche, nous avons essayé d'atteindre la vitesse maximale absolue, avec une densité de puissance maximale d'environ 7 kilowatts par kilogramme", explique Chu. "Pour un moteur EV, nous réduirions en fait quelque peu la vitesse, mais cela augmenterait également sa puissance.

"Nous pouvons évoluer et optimiser pour fournir de la puissance et de la vitesse dans une plage donnée", affirme Chu. "Par exemple, un moteur de 200 kilowatts avec une vitesse maximale d'environ 18 000 tr/min [conviendrait] parfaitement aux applications EV."

Selon Chu, le nouveau moteur offre également un avantage de coût significatif par rapport à la technologie existante et utilise moins de matériaux de terres rares.

"La plupart des moteurs à grande vitesse utilisent un manchon pour renforcer les rotors et ce manchon est généralement constitué d'un matériau coûteux, tel que le titane ou la fibre de carbone", explique Chu. "Le manchon lui-même est très coûteux et doit également être ajusté avec précision. Cela augmente le coût de fabrication du moteur.

"Nos rotors ont une très bonne robustesse mécanique, nous n'avons donc pas besoin de ce manchon, ce qui réduit le coût de fabrication", souligne Chu. "Et nous n'utilisons qu'environ 30 % de matériaux de terres rares, ce qui inclut une forte réduction du coût des matériaux, ce qui rend nos moteurs hautes performances plus respectueux de l'environnement et plus abordables."

Ce moteur à entraînement magnétique à grande vitesse réduit considérablement l'utilisation de matériaux de terres rares tels que le néodyme. Photo publiée avec l'aimable autorisation de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud

Le soufre est extrêmement abondant, rentable et peut contenir plus d'énergie que les batteries traditionnelles à base d'ions. Un récent projet de R&D au Laboratoire national d'Argonne a découvert une nouvelle façon de fabriquer des batteries à base de soufre. Les ingénieurs ont créé une couche à l'intérieur de la batterie qui ajoute une capacité de stockage d'énergie tout en éliminant presque un problème traditionnel avec les batteries au soufre qui provoquait la corrosion.

"Ces résultats démontrent qu'une couche intermédiaire redox-active pourrait avoir un impact énorme sur le développement des batteries au lithium-soufre (Li-S)", déclare Wenqian Xu, scientifique de la ligne de lumière à Argonne. "Nous sommes sur le point de voir cette technologie dans notre vie quotidienne."

La conception prometteuse de la batterie associe une électrode positive contenant du soufre (cathode) à une électrode négative au lithium métallique (anode). Entre ces composants se trouve l'électrolyte.

Les premières batteries Li-S ne fonctionnaient pas bien car les espèces soufrées (polysulfures) se dissolvaient dans l'électrolyte, provoquant sa corrosion. Cet effet de navette de polysulfure a un impact négatif sur la durée de vie de la batterie et réduit le nombre de fois qu'une batterie peut être rechargée.

Pour empêcher cette navette de polysulfure, des efforts antérieurs ont tenté de placer une couche intermédiaire redox-inactive entre la cathode et l'anode. Le terme "redox-inactif" signifie que le matériau ne subit pas de réactions comme celles d'une électrode.

Mais, cet intercalaire de protection est lourd et dense, réduisant la capacité de stockage d'énergie par unité de poids pour la batterie. Il ne réduit pas non plus suffisamment les navettes. Cela s'est avéré un obstacle majeur à la commercialisation des batteries Li-S.

Pour résoudre ce problème, l'équipe de l'ORNL a développé et testé une couche intermédiaire poreuse contenant du soufre. Des tests en laboratoire ont montré une capacité initiale environ trois fois plus élevée dans les cellules Li-S avec cette couche intermédiaire active, par opposition à inactive. Plus impressionnant encore, les cellules avec la couche intermédiaire active ont maintenu une capacité élevée sur 700 cycles de charge-décharge.

"Des expériences précédentes avec des cellules ayant la couche redox-inactive ne supprimaient que la navette, mais ce faisant, elles sacrifiaient l'énergie pour un poids cellulaire donné car la couche ajoutait un poids supplémentaire", explique Guiliang Xu, Ph.D., un chimiste d'Argonne. . "En revanche, notre couche redox-active ajoute à la capacité de stockage d'énergie et supprime l'effet de navette."

Les futurs efforts de recherche évalueront le potentiel de croissance de la technologie de couche intermédiaire redox-active. "Nous voulons essayer de le rendre beaucoup plus fin, beaucoup plus léger", explique Xu.