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Batteries lithium-ion à moindre coût
Une nouvelle façon de fabriquer des matériaux avancés pour batteries lithium-ion résout l'un de leurs principaux problèmes : le coût. Arumugam Manthiram , professeur d'ingénierie des matériaux à l'Université du Texas à Austin, a démontré qu'une méthode basée sur les micro-ondes pour fabriquer du phosphate de fer et de lithium prend moins de temps et utilise des températures plus basses que les méthodes conventionnelles, ce qui pourrait se traduire par des coûts inférieurs.
Nano puissance : Une image au microscope électronique de particules en forme de bâtonnet de 40 nanomètres de large qui constituent un matériau de batterie prometteur.
Le phosphate de fer et de lithium est une alternative à l'oxyde de cobalt et de lithium utilisé dans la plupart des batteries lithium-ion des ordinateurs portables. Il promet d'être beaucoup moins cher car il utilise du fer plutôt que du cobalt, un métal beaucoup plus cher. Bien qu'il stocke moins d'énergie que certains autres matériaux lithium-ion, le phosphate de fer et de lithium est plus sûr et peut être fabriqué de manière à permettre au matériau de fournir de grandes rafales de puissance, propriétés qui le rendent particulièrement utile dans les véhicules hybrides.
En effet, le phosphate de fer et de lithium est devenu l'un des nouveaux matériaux de batterie les plus populaires. Par example, Systèmes A123 , une startup basée à Watertown, MA, qui a développé une forme du matériau, a levé plus de 148 millions de dollars et commercialisé des batteries pour outils électriques rechargeables qui peuvent surpasser les outils enfichables conventionnels. Le matériau est également l'un des types testés pour une nouvelle voiture électrique de General Motors.
Mais il s'est avéré difficile et coûteux de fabriquer des batteries au lithium fer phosphate, ce qui réduit les économies potentielles par rapport aux batteries lithium-ion plus conventionnelles. En règle générale, les matériaux sont fabriqués au cours d'un processus qui prend des heures et nécessite des températures pouvant atteindre 700 °C.
La méthode de Manthiram consiste à mélanger des produits chimiques disponibles dans le commerce - hydroxyde de lithium, acétate de fer et acide phosphorique - dans un solvant, puis à soumettre ce mélange aux micro-ondes pendant cinq minutes, ce qui chauffe les produits chimiques à environ 300 ° C. Le processus forme des particules en forme de bâtonnets de phosphate de fer et de lithium. Les particules les plus performantes mesurent environ 100 nanomètres de long et 25 nanomètres de large. La petite taille est nécessaire pour permettre aux ions lithium de se déplacer rapidement dans et hors des particules pendant la charge et la décharge de la batterie.
Pour améliorer les performances de ces matériaux, le manthirame a enduit les particules d'un polymère électriquement conducteur, lui-même traité avec de petites quantités d'un type d'acide sulfonique. Les nanoparticules enrobées ont ensuite été incorporées dans une petite cellule de batterie pour les tests. À des vitesses de décharge lentes, les matériaux ont montré une capacité impressionnante : à 166 milliampères-heures par gramme, les matériaux se sont approchés de la capacité théorique du phosphate de fer et de lithium, qui est de 170 milliampères-heures par gramme. Cette capacité a chuté rapidement à des taux de décharge plus élevés lors des tests initiaux. Mais Manthiram dit que les nouvelles versions du matériau ont montré de meilleures performances.
Il est encore trop tôt pour dire dans quelle mesure la nouvelle approche réduira les coûts de fabrication des batteries lithium fer phosphate. Les basses températures de la méthode peuvent réduire les demandes d'énergie, et le fait qu'elle soit rapide peut conduire à une production plus élevée à partir de la même quantité d'équipement, ce qui peut rendre la fabrication plus économique. Mais le coût du polymère conducteur et de l'équipement de fabrication doit également être pris en compte, et le processus doit être démontré à grande échelle. Le processus devra également concurrencer d'autres méthodes de fabrication expérimentales prometteuses, selon Stanley Whittingham , professeur de chimie, de science des matériaux et d'ingénierie à l'Université d'État de New York, à Binghamton.
Manthiram a récemment publié des avancées pour deux autres types de matériaux de batterie lithium-ion et travaille avec ActaCell , une startup basée à Austin, TX, pour commercialiser la technologie développée dans son laboratoire. La société, qui a annoncé la semaine dernière avoir levé 5,58 millions de dollars de capital-risque, a déjà concédé sous licence une partie de la technologie de Manthiram, mais elle ne dira quelle technologie avant l'année prochaine.