Une nouvelle technologie ouvre la porte à une batterie propre

Des chercheurs américains ont mis au point une batterie qui utilise d’autres métaux que le cobalt. Le cobalt donne certes une bonne stabilité et une solide autonomie aux batteries, mais il est par contre très polluant.

Actuellement, la batterie lithium est la meilleure technologie dans le domaine, mais sa fabrication nécessite de coûteux matériaux qu’on ne trouve qu’à quelques endroits dans le monde. On trouve les batteries lithium-ion dans nos smartphones et ordinateurs portables. La plupart des batteries pour les voitures électriques contiennent également des alliages à base de cobalt. Le cobalt – généralement un sous-produit dans l’extraction du cuivre et du nickel – offre à la batterie une bonne stabilité et une solide autonomie.

Congo

Pour produire les batteries lithium-ion, on exploite plus de 50 pour cent de la production mondiale de cobalt. La moitié provient du Congo, où le cobalt est encore majoritairement extrait à la main, et il n’est pas rare qu’on fasse appel à des enfants pour ce faire. Des chercheurs de l’université de Californie située à Berkeley ont à présent réussi à développer une batterie qui n’utilise pas de cobalt, mais d’autres métaux. Ils ont conçu un système, par lequel les cathodes offrent une capacité de stockage du lithium 50 pour cent supérieure à celle de matériaux conventionnels. Leur étude est du reste parue dans la revue Nature.

Porte ouverte

‘Nous avons ouvert une nouvelle porte dans la chimie, et cela va se traduire par une meilleure technologie de batterie’, déclare l’ingénieur Gerbrand Ceder de Berkeley. ‘Pour la première fois, nous avons trouvé un élément économique qui est capable d’échanger des électrons dans des batteries.’ Dans la génération actuelle de batteries, les ions de lithium sont stockés dans les cathodes (le pôle négatif) qui ont une structure stratifiée. Le cobalt est indispensable ici, parce que c’est lui qui maintient cette structure en place et contribue finalement à une alimentation en courant optimale. Lorsque la batterie est chargée, les ions de lithium de la cathode sont attirés vers l’autre pôle, l’anode. Ceder a cependant découvert que les cathodes peuvent aussi conserver une haute densité d’énergie sans cette structure stratifiée. Son étude a montré que l’élément manganèse, un matériau économique et pas du tout rare, le permet tout autant.

Moins dépendant du cobalt

Selon Ceder, cette découverte va permettre de réduire de beaucoup la dépendance au cobalt. ‘En examinant différemment les cathodes et leur structure stratifiée, nous avons pu tester plusieurs éléments du tableau périodique des éléments.’ Grâce à un processus spécifique, les chercheurs ont ainsi amené une grande quantité de manganèse à hauteur des cathodes. Finalement, le manganèse a réussi à stocker davantage d’ions de lithium, ce qui a augmenté la capacité de la batterie. ‘Dans le monde des batteries, il s’agit réellement d’une importante amélioration par rapport aux cathodes conventionnelles’, affirme le coauteur Jinhyuk Lee du Massachusetts Institute of Technology.

Une plus grande liberté chimique

La technologie doit encore être expérimentée plus avant pour savoir si elle est utilisable dans des applications comme des ordinateurs portables ou des véhicules électriques. Selon Ceder, le fait de savoir si la nouvelle découverte se traduira ou non par une batterie de nouvelle génération, est secondaire. Pour lui, le plus important, c’est que les chercheurs ont ouvert une porte vers une nouvelle façon de concevoir les cathodes. ‘On peut à présent utiliser quasiment chaque élément du tableau des éléments, car nous avons démontré que la structure stratifiée des cathodes n’est pas essentielle’, explique-t-il. ‘Cela nous donne soudainement une bien plus grande liberté chimique, et cela nous rend très enthousiastes. Nous pouvons désormais commencer à développer de nouvelles cathodes.’ Aujourd’hui, quelque 10 pour cent de la production mondiale de cobalt sont utilisés pour les voitures électriques. Un tiers est exploité pour les batteries de smartphones, tablettes et autres appareils électroniques, et le reste pour des applications telles les colorants, la céramique, les alliages résistant à la chaleur et les métaux durs.