Pourquoi le lithium-ion peut régner sur les batteries pendant longtemps

2010 Les régents de l'Université de Californie, par le biais du Lawrence Berkeley National Laboratory.

Le département américain de l'Énergie est lancement un effort de recherche majeur pour développer une nouvelle génération de batteries lithium-ion en grande partie exemptes de cobalt, un métal rare et coûteux livré par un chaîne d'approvisionnement troublante .

Le programme de trois ans, qui fait partie d'un effort plus large pour accélérer les technologies avancées des véhicules, pourrait éventuellement conduire à des gadgets grand public moins chers et plus durables, à des voitures électriques et à un stockage en réseau.

Le scientifique des matériaux Gerd Ceder supervise un projet dans le cadre du programme de recherche du Lawrence Berkeley National Lab, visant à développer des sels minéraux désordonnés comme matériau alternatif pour les cathodes, l'électrode positive dans une cellule rechargeable. En règle générale, les cathodes des batteries lithium-ion nécessitent du cobalt pour créer et conserver une structure en couches dans l'électrode, ce qui permet aux ions lithium de la traverser facilement. Mais il y a plusieurs années, Ceder et ses collègues ont découvert que cette nouvelle classe de matériaux pouvait stocker plus de lithium, augmentant potentiellement la densité d'énergie tout en évitant complètement le besoin de cobalt (voir Les matériaux désordonnés promettent de meilleures batteries).

Le projet Lawrence Berkeley ainsi que deux au Laboratoire national d'Argonne ont reçu ensemble 12,5 millions de dollars du Bureau des technologies des véhicules du DOE.

Dans une interview avec Examen de la technologie MIT , Ceder a discuté des défis pour s'assurer que les nouveaux matériaux fonctionnent comme une alternative directe pour la fabrication de batteries, des raisons pour lesquelles la technologie lithium-ion continuera à dominer le stockage pendant longtemps encore et pourquoi il faut si longtemps pour toute avancée de batterie pour atteindre le marché.

Cette interview a été éditée pour plus d'espace et de clarté.

Quelles sont les prochaines étapes du développement de cette nouvelle classe de composés ?

Cela fait environ quatre ans maintenant depuis la découverte initiale du concept, et il y a plus d'une douzaine de composés dans cette catégorie qui ont déjà montré des caractéristiques prometteuses. C'est donc la phase de découverte, où tout le monde va et essaie toutes sortes de chimies différentes, comme l'exploration de Lewis et Clark.

La prochaine étape est que nous allons prendre certains de ces matériaux qui semblent prometteurs et voir si nous pouvons résoudre tous les petits problèmes qui doivent être résolus avant de pouvoir réellement fabriquer un produit commercial.

La capacité de taux de charge-décharge doit être bonne. La durée de vie, qui fixe la durée de vie de la batterie, doit être améliorée.

Et puis les gens apprennent à faire toutes sortes d'astuces de traitement et de traitements de surface, et c'est ainsi que les batteries s'améliorent de plus en plus.

Mais je dirais que certains de ces matériaux vont passer à l'étape suivante. C'est probablement l'un de nos meilleurs paris ces jours-ci pour les matériaux cathodiques à haute densité d'énergie.

Pourquoi faut-il tant de temps pour voir les avancées des laboratoires en matière de stockage arriver sur le marché ?

Pour que quoi que ce soit en fasse un produit commercial, c'est un long travail, même si vous faites la découverte plus rapidement. C'est juste un très long chemin vers l'optimisation des matériaux, les tests, l'acceptation des clients, toutes ces choses. Au point que même si j'avais quelque chose qui fonctionnait parfaitement dans le laboratoire aujourd'hui, vous auriez probablement un labeur de six à 10 ans.

Quelqu'un doit le mettre à l'échelle. Ils doivent le tester. Ensuite, ils doivent le transmettre à un fabricant de piles, un fabricant de cellules, qui passera deux ans à le tester, puis, s'ils l'aiment finalement, ils peuvent en faire un petit produit - quelque chose qui va à un marché de niche, parce que ils ne veulent pas prendre de risques commerciaux avec de nouveaux produits.

Il y a quelques années, vous mentionné que les batteries à semi-conducteurs sont presque une batterie parfaite. Qu'en pensez-vous aujourd'hui ?

Je suis toujours optimiste sur le fait qu'ils changent vraiment la donne. Et je pense que le produit final pourrait être si bon, et cela justifie, je pense, l'effort et la poussée vers celui-ci. Cela pourrait commencer à ressembler à la batterie idéale.

Cela dit, bien sûr, dans les années qui ont suivi, nous et d'autres personnes avons découvert tous les problèmes qui doivent être résolus. Je pense donc toujours que c'est l'une des choses les plus prometteuses pour le stockage de l'énergie en ce moment. Mais il y a pas mal de problèmes à résoudre.

Ces électrolytes à l'état solide ne sont souvent pas stables. Et personne n'a même trouvé un excellent moyen de fabriquer des batteries à semi-conducteurs.

Vous pouvez les fabriquer en laboratoire, et les entreprises peuvent même créer un prototype, mais cela prouve simplement que vous pouvez le faire. Cela ne prouve pas que vous pouvez le faire économiquement.

Beaucoup d'entre eux sont des défis d'ingénierie, et j'ai ce genre de philosophie selon laquelle les défis d'ingénierie se résolvent avec de l'argent. Les problèmes scientifiques appartiennent à une catégorie très différente. Il est difficile de mettre une chronologie sur l'invention.

Mais je suis convaincu que cela arrivera.

Un autre domaine dans lequel nous avons constaté des investissements notables cette année est le stockage en réseau. Selon vous, quelles pistes de recherche y sont prometteuses ?

Le stockage en grille est un joker, à mon avis. A court terme, je vois juste que tout étant lithium-ion. La raison en est qu'il est fiable et que vous pouvez l'acheter auprès de fournisseurs fiables aujourd'hui.

Vous pouvez avoir une discussion philosophique sur la question de savoir si c'est la meilleure forme de stockage d'énergie pour le réseau ou non. Mais si vous êtes PG&E, à qui allez-vous acheter ? Startup XYZ, qui ne sera peut-être plus là dans trois ans, ou allez-vous acheter chez LG Chem, CATL ou Samsung ?

Je n'exclus donc pas que d'autres technologies puissent pénétrer dans le réseau, mais elles ne doivent pas sous-estimer la concurrence de l'opérateur historique. Le titulaire est toujours une centrale électrique.

Le contre-argument que vous entendez est qu'il y a des limites à la façon dont le lithium-ion peut être bon marché - et ce n'est pas la technologie idéale pour les jours, les semaines ou même les mois de stockage dont vous pourriez avoir besoin pour le réseau (voir La raison de 2,5 billions de dollars pour laquelle nous ne pouvons pas compter sur les batteries pour nettoyer le réseau).

Le lithium-ion est déjà assez bon marché. Toutes ces autres technologies, même si sur le papier, elles peuvent avoir une structure à faible coût, elles doivent encore y arriver. Les startups ont besoin de marchés à forte valeur, et le réseau n'est pas un marché à valeur particulièrement élevée.

Prenons un exemple extrême : regardons le stockage saisonnier. Combien êtes-vous prêt à payer pour un kilowattheure que vous déplacez de juin à décembre ? La chose doit être incroyablement bon marché.

Il n'est pas clair pour moi que les solutions à ces problèmes seront trouvées dans le stockage électrochimique classique. Tous les problèmes ne doivent pas être résolus avec des piles.

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