Le besoin urgent de réduire les émissions de carbone entraîne une évolution rapide vers l’électrification des transports et l’expansion du déploiement de l’énergie solaire et éolienne sur le réseau.Si ces tendances s’intensifient comme prévu, le besoin de meilleures méthodes de stockage de l’énergie électrique s’intensifiera.
Nous avons besoin de toutes les stratégies possibles pour faire face à la menace du changement climatique, déclare le Dr Elsa Olivetti, professeure agrégée de science et d'ingénierie des matériaux à Esther et Harold E. Edgerton.De toute évidence, le développement de technologies de stockage de masse basées sur des réseaux est crucial.Mais pour les applications mobiles - en particulier les transports - de nombreuses recherches se concentrent sur l'adaptation des technologies actuelles.batteries lithium-ionpour être plus sûrs, plus petits et capables de stocker plus d'énergie pour leur taille et leur poids.
Les batteries lithium-ion conventionnelles continuent de s’améliorer, mais leurs limites demeurent, en partie dues à leur structure.Les batteries lithium-ion sont constituées de deux électrodes, une positive et une négative, prises en sandwich dans un liquide organique (contenant du carbone).Lorsque la batterie est chargée et déchargée, les particules (ou ions) de lithium chargées passent d’une électrode à l’autre à travers l’électrolyte liquide.
Un problème avec cette conception est qu’à certaines tensions et températures, l’électrolyte liquide peut devenir volatil et prendre feu.Les batteries sont généralement sûres dans des conditions normales d'utilisation, mais le risque demeure, explique le Dr Kevin Huang Ph.D.'15, chercheur scientifique du groupe Olivetti.
Un autre problème est que les batteries lithium-ion ne sont pas adaptées à une utilisation dans les voitures.Les batteries volumineuses et lourdes prennent de la place, augmentent le poids total du véhicule et réduisent le rendement énergétique.Mais il s'avère difficile de rendre les batteries lithium-ion actuelles plus petites et plus légères tout en conservant leur densité énergétique, c'est-à-dire la quantité d'énergie stockée par gramme de poids.
Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs modifient les principales caractéristiques des batteries lithium-ion pour créer une version entièrement solide ou à semi-conducteurs.Ils remplacent l’électrolyte liquide au milieu par un électrolyte solide mince, stable sur une large plage de tensions et de températures.Avec cet électrolyte solide, ils ont utilisé une électrode positive de grande capacité et une électrode négative au lithium métallique de grande capacité, beaucoup moins épaisse que la couche de carbone poreuse habituelle.Ces changements permettent d’obtenir une cellule globale beaucoup plus petite tout en conservant sa capacité de stockage d’énergie, ce qui se traduit par une densité énergétique plus élevée.
Ces caractéristiques - une sécurité améliorée et une plus grande densité énergétique- sont probablement les deux avantages les plus souvent vantés des potentielles batteries à semi-conducteurs, mais tous ces éléments sont prospectifs et espérés, et pas nécessairement réalisables.Néanmoins, cette possibilité pousse de nombreux chercheurs à se démener pour trouver les matériaux et les conceptions qui permettront de tenir cette promesse.
Penser au-delà du laboratoire
Les chercheurs ont proposé un certain nombre de scénarios intrigants qui semblent prometteurs en laboratoire.Mais Olivetti et Huang estiment que, compte tenu de l’urgence du défi du changement climatique, des considérations pratiques supplémentaires pourraient s’avérer importantes.Nous, les chercheurs, disposons toujours de mesures en laboratoire pour évaluer les matériaux et les processus possibles, explique Olivetti.Les exemples pourraient inclure la capacité de stockage d’énergie et les taux de charge/décharge.Mais si l’objectif est la mise en œuvre, nous suggérons d’ajouter des mesures qui traitent spécifiquement du potentiel de mise à l’échelle rapide.
Matériaux et disponibilité
Dans le monde des électrolytes inorganiques solides, il existe deux principaux types de matériaux : les oxydes contenant de l'oxygène et les sulfures contenant du soufre.Le tantale est un sous-produit de l’extraction de l’étain et du niobium.Les données historiques montrent que la production de tantale est plus proche du maximum potentiel que celle de germanium lors de l'extraction de l'étain et du niobium.La disponibilité du tantale constitue donc une plus grande préoccupation pour l’éventuelle extension des cellules à base de LLZO.
Cependant, connaître la disponibilité d’un élément dans le sol ne résout pas les étapes nécessaires pour le mettre entre les mains des fabricants.Les chercheurs ont donc étudié une question complémentaire concernant la chaîne d'approvisionnement des éléments clés - extraction, transformation, raffinage, transport, etc. En supposant qu'il y ait un approvisionnement abondant, la chaîne d'approvisionnement pour la livraison de ces matériaux peut-elle être étendue assez rapidement pour répondre à la demande croissante. demande de batteries ?
Dans une analyse d’échantillon, ils ont examiné dans quelle mesure la chaîne d’approvisionnement en germanium et en tantale aurait besoin de croître d’année en année pour fournir des batteries pour la flotte de véhicules électriques prévue pour 2030.À titre d’exemple, une flotte de véhicules électriques, souvent citée comme objectif pour 2030, devrait produire suffisamment de batteries pour fournir un total de 100 gigawattheures d’énergie.Pour atteindre cet objectif, en utilisant uniquement des batteries LGPS, la chaîne d'approvisionnement en germanium devrait croître de 50 % par an – ce qui est exagéré, puisque le taux de croissance maximum a été d'environ 7 % dans le passé.En utilisant uniquement des cellules LLZO, la chaîne d'approvisionnement en tantale devrait croître d'environ 30 %, un taux de croissance bien supérieur au maximum historique d'environ 10 %.
Ces exemples montrent l'importance de prendre en compte la disponibilité des matériaux et la chaîne d'approvisionnement lors de l'évaluation du potentiel de mise à l'échelle de différents électrolytes solides, explique Huang : Même si la quantité d'un matériau n'est pas un problème, comme dans le cas du germanium, la mise à l'échelle de tous les étapes de la chaîne d’approvisionnement nécessaires pour correspondre à la production des futurs véhicules électriques pourraient nécessiter un taux de croissance pratiquement sans précédent.
Matériaux et transformation
Un autre facteur à prendre en compte lors de l’évaluation du potentiel d’évolutivité d’une conception de batterie est la difficulté du processus de fabrication et son impact sur le coût.La fabrication d’une batterie à semi-conducteurs comporte inévitablement de nombreuses étapes, et l’échec d’une étape augmente le coût de chaque cellule produite avec succès.
En tant qu'indicateur des difficultés de fabrication, Olivetti, Ceder et Huang ont exploré l'impact du taux de défaillance sur le coût total de certaines conceptions de batteries à semi-conducteurs dans leur base de données.Dans un exemple, ils se sont concentrés sur l’oxyde LLZO.Le LLZO est très fragile et les grandes feuilles suffisamment fines pour être utilisées dans des batteries à semi-conducteurs hautes performances sont susceptibles de se fissurer ou de se déformer aux températures élevées impliquées dans le processus de fabrication.
Pour déterminer les implications financières de telles défaillances, ils ont simulé les quatre étapes de traitement clés impliquées dans l'assemblage des cellules LLZO.À chaque étape, ils ont calculé le coût sur la base d'un rendement supposé, c'est-à-dire la proportion du total de cellules traitées avec succès sans échec.Pour LLZO, le rendement était bien inférieur à celui des autres modèles étudiés ;de plus, à mesure que le rendement diminuait, le coût par kilowattheure (kWh) de l’énergie cellulaire augmentait considérablement.Par exemple, lorsque 5 % de cellules supplémentaires ont été ajoutées à l'étape finale de chauffage de la cathode, le coût a augmenté d'environ 30 $/kWh - un changement négligeable si l'on considère que le coût cible généralement accepté pour de telles cellules est de 100 $/kWh.De toute évidence, les difficultés de fabrication peuvent avoir un impact profond sur la faisabilité d’une adoption à grande échelle de la conception.
Heure de publication : 09 septembre 2022