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Des tests rapides donnent des matériaux de batterie à haute énergie
En utilisant une nouvelle approche automatisée pour construire et tester rapidement des milliers de cellules de batterie, Wildcat Discovery Technologies, une startup de San Diego, en Californie, a développé de nouveaux matériaux qui pourraient augmenter la capacité de stockage des batteries lithium-ion pour les voitures et les appareils électroniques portables de plus de 25 pour cent.
Fabrique de la batterie : Cette enceinte abrite des équipements automatisés pour construire et tester des centaines de batteries par semaine. Chaque batterie est fabriquée à partir de différents matériaux expérimentaux.
Les batteries basées sur les nouveaux matériaux pourraient étendre l'autonomie des véhicules électriques ou permettre aux constructeurs automobiles de conserver la même autonomie mais d'utiliser moins de cellules de batterie, réduisant ainsi le coût de la batterie, la pièce la plus chère d'une voiture électrique. Il reste encore du travail à faire pour améliorer la durabilité des nouveaux matériaux, mais les résultats valident la technique de criblage à haut débit de Wildcat qui permet aux chercheurs de trier rapidement les combinaisons de matériaux.
Le criblage à haut débit est courant dans les industries pharmaceutique et chimique pour découvrir de nouveaux composés et catalyseurs, et la technique a fait des percées dans le développement de batteries. Ce qui rend le processus de Wildcat différent, c'est qu'il fabrique des cellules de batterie complètes, et pas seulement des parties individuelles des cellules, telles que les électrodes. Ceci est important car la performance d'un matériau donné dans la cellule dépend de la façon dont il interagit avec les autres parties. Avec les approches conventionnelles, vous obtenez beaucoup de faux positifs et de faux négatifs, dit Steven Kaye , directeur scientifique de Wildcat. Un matériau d'électrode qui semble prometteur en soi peut échouer dans une cellule complète car il interagit avec les électrolytes, les additifs et l'électrode opposée, dit-il. Et celui qui semble médiocre pourrait s'améliorer nettement lorsqu'il est mélangé avec d'autres matériaux dans une cellule.
Le nouveau matériau de Wildcat, une variante du phosphate de lithium cobalt, aurait normalement été rejeté car il fonctionne à une tension qui détruit rapidement l'électrolyte de la batterie, le liquide qui conduit les ions lithium entre les électrodes. Mais les chercheurs ont associé le matériau à de nombreuses nouvelles recettes d'électrolytes et en ont finalement découvert une qui pourrait survivre à la haute tension. Au total, l'entreprise a examiné 4 000 matériaux sur une période d'environ quatre mois pour trouver ceux qui fonctionnaient.
Le processus commence par le mélange automatique de matériaux précurseurs liquides, suivi de la production de poudres d'électrodes aux propriétés différentes, de la formation de films d'électrodes et de la combinaison des électrodes, du séparateur et des électrolytes dans une pile bouton du type de celles trouvées dans les montres. batteries. Ces cellules sont testées et les meilleures sont améliorées.
La capacité de trier des milliers de combinaisons de matériaux et de les incorporer dans des cellules de batterie complètes est assez impressionnante, dit Jeff Dahn , professeur de physique à l'Université Dalhousie qui utilise des méthodes à haut débit pour étudier les matériaux des batteries. Ils ont parcouru un long chemin en peu de temps, dit-il.
Wildcat a été fondée en 2006 et a levé 16,5 millions de dollars en capital-risque. Il tire également des revenus de plus de 40 projets de recherche avec de grands fabricants. Ses fondateurs sont Peter Schultz, professeur au Scripps Research Institute et pionnier de la chimie combinatoire à haut débit.
Les cellules de batterie utilisant les nouveaux matériaux de Wildcat stockeraient environ 60 % plus d'énergie en volume que phosphate de fer lithium cellules, un type étant utilisé par les constructeurs de véhicules électriques. Par rapport à certaines batteries à plus haute énergie qui pourraient se trouver dans les véhicules électriques de nouvelle génération, telles que celles qui utilisent un mélange de nickel, de manganèse et de cobalt, les nouveaux matériaux pourraient générer une augmentation d'énergie de plus de 25 % en volume, selon Kaye. .
On ne sait pas comment les matériaux affecteront le coût global de la batterie. L'amélioration de la capacité réduira les coûts et la tension plus élevée des cellules simplifiera le câblage des blocs-batteries, ce qui réduira également les coûts, mais l'utilisation de cobalt les rendra plus chères que le phosphate de fer et de lithium. Pour réduire les coûts, l'entreprise travaille sur des matériaux d'électrode qui substituent le nickel au cobalt.
Les nouvelles formulations d'électrolytes que la société a développées pourraient ouvrir la possibilité d'utiliser d'autres matériaux d'électrodes à tension relativement élevée, y compris une classe de matériaux appelés fluorophosphates qui, lorsqu'ils sont associés à des électrodes opposées hautes performances, pourraient jusqu'à doubler la capacité de la batterie, Kaye dit.
La société produit actuellement des lots d'essai de ses nouveaux matériaux et espère concéder la technologie à des fabricants de matériaux et de batteries, mais la durabilité des matériaux doit encore être améliorée. Après 150 cycles de charge, la capacité du matériau de l'électrode a diminué de 20 %. Pour une utilisation dans l'électronique portable, la batterie doit durer quelques centaines de cycles. Pour les voitures électriques, la batterie doit conserver 80 % de sa capacité de stockage pendant des milliers de cycles.