Le besoin urgent de réduire les émissions de carbone entraîne une évolution rapide vers la mobilité électrifiée et un déploiement élargi du solaire et de l'éolien sur le réseau électrique. Si ces tendances s'intensifient comme prévu, le besoin de meilleures méthodes de stockage de l'énergie électrique s'intensifiera.
De toute évidence, le développement de technologies de stockage en réseau à grande échelle est essentiel. Mais pour les applications mobiles, en particulier le transport, de nombreuses recherches se concentrent sur l'adaptation de la batterie lithium-ion d'aujourd'hui pour créer des versions plus sûres, plus petites et capables de stocker plus d'énergie pour leur taille et leur poids.
Les batteries lithium-ion traditionnelles continuent de s'améliorer, mais elles ont des limites qui persistent, en partie à cause de leur structure. Une batterie lithium-ion se compose de deux électrodes, une positive et une négative, prises en sandwich autour d'un liquide organique (contenant du carbone). Lorsque la batterie est chargée et déchargée, des particules (ou ions) de lithium chargées électriquement 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 sans danger dans des conditions d'utilisation normales, mais le risque est toujours là.
Un autre problème est que les batteries lithium-ion ne sont pas bien adaptées à une utilisation dans les véhicules. Les blocs-batteries volumineux et lourds prennent de la place et augmentent le poids total d'un véhicule, réduisant ainsi l'efficacité énergétique. Mais il s'avère difficile de rendre les batteries lithium-ion d'aujourd'hui plus petites et plus légères tout en maintenant leur densité énergétique, c'est-à-dire la quantité d'énergie qu'elles stockent par gramme de poids.
Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs modifient les principales caractéristiques de la batterie lithium-ion pour en faire une version tout solide ou « à l'état solide ». Ils remplacent l'électrolyte liquide au milieu par un électrolyte fin et solide stable dans une large gamme de tensions et de températures. Avec cet électrolyte solide, ils utilisent une électrode positive à haute capacité et une électrode négative au lithium métal à haute capacité qui est beaucoup plus mince que la couche habituelle de carbone poreux. Ces changements permettent de réduire considérablement la batterie globale tout en maintenant sa capacité de stockage d'énergie, atteignant ainsi une densité énergétique plus élevée.
Ces caractéristiques - une sécurité améliorée et une plus grande densité d'énergie - sont probablement les deux avantages les plus souvent vantés d'une batterie à semi-conducteurs potentielle.
Sur la base de l'expérience de l'industrie avec les batteries lithium-ion actuelles, les chercheurs du MIT et leurs collègues suggèrent trois grandes questions qui peuvent aider à identifier les contraintes potentielles sur la future mise à l'échelle en raison de la sélection des matériaux. Premièrement, avec cette conception de batterie, la disponibilité des matériaux, les chaînes d'approvisionnement ou la volatilité des prix pourraient-elles devenir un problème à mesure que la production augmente ? (Notez que les préoccupations environnementales et autres soulevées par l'exploitation minière étendue sortent du cadre de cette étude.) Deuxièmement, la fabrication de batteries à partir de ces matériaux impliquera-t-elle des étapes de fabrication difficiles au cours desquelles des pièces sont susceptibles de tomber en panne ? Et troisièmement, les mesures de fabrication nécessaires pour garantir un produit haute performance basé sur ces matériaux réduisent-elles ou augmentent-elles finalement le coût des batteries produites ?
Pour démontrer leur approche, Olivetti, Ceder et Huang ont examiné certaines des chimies électrolytiques et des structures de batterie actuellement étudiées par les chercheurs. Pour sélectionner leurs exemples, ils se sont tournés vers des travaux antérieurs dans lesquels eux et leurs collaborateurs ont utilisé des techniques d'exploration de texte et de données pour recueillir des informations sur les matériaux et les détails de traitement rapportés dans la littérature. À partir de cette base de données, ils ont sélectionné quelques options fréquemment signalées qui représentent un éventail de possibilités.
Matériaux et disponibilité
Dans le monde des électrolytes inorganiques solides, il existe deux grandes classes de matériaux : les oxydes, qui contiennent de l'oxygène, et les sulfures, qui contiennent du soufre.
Le sulfure que l'équipe a considéré était le LGPS, qui combine le lithium, le germanium, le phosphore et le soufre. Sur la base de considérations de disponibilité, ils se sont concentrés sur le germanium, un élément qui soulève des inquiétudes en partie parce qu'il n'est généralement pas extrait seul. Au lieu de cela, c'est un sous-produit produit lors de l'extraction du charbon et du zinc.
Pour étudier sa disponibilité, les chercheurs ont examiné la quantité de germanium produite chaque année au cours des six dernières décennies lors de l'extraction du charbon et du zinc, puis la quantité qui aurait pu être produite. Le résultat a suggéré que 100 fois plus de germanium aurait pu être produit, même ces dernières années. Compte tenu de ce potentiel d'approvisionnement, la disponibilité du germanium n'est pas susceptible de restreindre la mise à l'échelle d'une batterie à semi-conducteurs basée sur un électrolyte LGPS.
La situation semblait moins prometteuse avec l'oxyde sélectionné par les chercheurs, le LLZO, qui se compose de lithium, de lanthane, de zirconium et d'oxygène. L'extraction et le traitement du lanthane sont largement concentrés en Chine et les données disponibles sont limitées, les chercheurs n'ont donc pas essayé d'analyser sa disponibilité. Les trois autres éléments sont disponibles en abondance. Cependant, en pratique, une petite quantité d'un autre élément - appelé dopant - doit être ajoutée pour rendre LLZO facile à traiter. L'équipe s'est donc concentrée sur le tantale, le dopant le plus fréquemment utilisé, comme principal élément de préoccupation pour LLZO.
Le tantale est un sous-produit de l'extraction de l'étain et du niobium. Les données historiques montrent que la quantité de tantale produite lors de l'extraction de l'étain et du niobium était beaucoup plus proche du maximum potentiel que ce n'était le cas avec le germanium. Ainsi, la disponibilité du tantale est davantage une préoccupation pour l'éventuelle mise à l'échelle d'une batterie à base de LLZO.
Mais connaître la disponibilité d'un élément dans le sol n'aborde pas les étapes nécessaires pour l'amener à un fabricant. Les chercheurs se sont donc penchés sur une question de suivi concernant les chaînes d'approvisionnement pour les éléments critiques – extraction, traitement, raffinage, expédition, etc. En supposant que des approvisionnements abondants soient disponibles, les chaînes d'approvisionnement qui fournissent ces matériaux peuvent-elles se développer suffisamment rapidement pour répondre à la demande croissante de batteries ?
Dans des analyses d'échantillons, ils ont examiné combien les chaînes d'approvisionnement pour le germanium et le tantale devraient croître d'année en année pour fournir des batteries pour une flotte projetée de véhicules électriques en 2030. À titre d'exemple, une flotte de véhicules électriques souvent citée comme objectif pour 2030 nécessiterait la production de 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 du germanium devrait croître de 50 % d'une année sur l'autre, un étirement, puisque le taux de croissance maximum dans le passé a été d'environ 7 %. En utilisant uniquement des batteries LLZO, la chaîne d'approvisionnement du tantale devrait croître d'environ 30 %, un taux de croissance bien supérieur au sommet historique d'environ 10 %.
Ces exemples démontrent l'importance de prendre en compte à la fois la disponibilité des matériaux et les chaînes d'approvisionnement lors de l'évaluation de différents électrolytes solides pour leur potentiel de mise à l'échelle. Même lorsque la quantité de matière disponible n'est pas un problème, comme c'est le cas pour le germanium, adapter toutes les étapes de la chaîne d'approvisionnement à la production future de les véhicules électriques peut nécessiter un taux de croissance littéralement sans précédent.
Matériaux et traitement
Lors de l'évaluation du potentiel de mise à l'échelle d'une conception de batterie, un autre facteur à prendre en compte est la difficulté du processus de fabrication et son impact sur le coût. La fabrication d'une batterie à semi-conducteurs implique inévitablement de nombreuses étapes, et une défaillance à n'importe quelle étape augmente le coût de chaque batterie produite avec succès.
En tant qu'indicateur des difficultés de fabrication, les chercheurs ont exploré l'impact du taux de défaillance sur le coût global de conceptions de batteries à semi-conducteurs sélectionnées dans leur base de données. Dans un exemple, ils se sont concentrés sur l'oxyde LLZO. Le LLZO est extrêmement cassant et, aux températures élevées impliquées dans la fabrication, une grande feuille suffisamment mince pour être utilisée dans une batterie à semi-conducteurs haute performance est susceptible de se fissurer ou de se déformer.
Pour déterminer l'impact de telles défaillances sur les coûts, ils ont modélisé quatre étapes de traitement clés dans l'assemblage des batteries à base de LLZO. À chaque étape, ils ont calculé le coût en fonction d'un rendement supposé, c'est-à-dire la fraction du total des unités qui ont été traitées avec succès sans échec. Avec le LLZO, le rendement était bien inférieur à celui des autres conceptions examinées ; et, à mesure que le rendement diminuait, le coût de chaque kilowattheure (kWh) d'énergie de la batterie augmentait considérablement. Par exemple, lorsque 5 % d'unités supplémentaires tombaient en panne lors de l'étape finale de chauffage de la cathode, le coût augmentait d'environ 30 $/kWh, un changement non négligeable étant donné qu'un coût cible communément accepté pour de telles batteries est de 100 $/kWh. De toute évidence, les difficultés de fabrication peuvent avoir un impact profond sur la viabilité d'une conception pour une adoption à grande échelle.
Matériaux et performances
L'un des principaux défis dans la conception d'une batterie entièrement solide vient des « interfaces », c'est-à-dire où un composant rencontre un autre. Pendant la fabrication ou l'exploitation, les matériaux à ces interfaces peuvent devenir instables. Les atomes commencent à aller là où ils ne devraient pas, et les performances de la batterie diminuent.
En conséquence, de nombreuses recherches sont consacrées à la mise au point de méthodes de stabilisation des interfaces dans différentes conceptions de batteries. La plupart des méthodes proposées augmentent les performances ; et en conséquence, le coût de la batterie en dollars par kWh diminue. Mais la mise en œuvre de telles solutions implique généralement des matériaux et du temps supplémentaires, augmentant le coût du kWh lors de la fabrication à grande échelle.
Pour illustrer ce compromis, les chercheurs ont d'abord examiné leur oxyde, LLZO. Ici, le but est de stabiliser l'interface entre l'électrolyte LLZO et l'électrode négative en insérant une fine couche d'étain entre les deux. Ils ont analysé les impacts, tant positifs que négatifs, sur le coût de mise en œuvre de cette solution. Ils ont découvert que l'ajout du séparateur d'étain augmente la capacité de stockage d'énergie et améliore les performances, ce qui réduit le coût unitaire en dollars/kWh. Mais le coût d'inclusion de la couche d'étain dépasse les économies, de sorte que le coût final est supérieur au coût initial.
Dans une autre analyse, ils ont examiné un électrolyte sulfuré appelé LPSCl, qui se compose de lithium, de phosphore et de soufre avec un peu de chlore ajouté. Dans ce cas, l'électrode positive incorpore des particules du matériau électrolytique - une méthode pour garantir que les ions lithium peuvent trouver un chemin à travers l'électrolyte vers l'autre électrode. Cependant, les particules d'électrolyte ajoutées ne sont pas compatibles avec d'autres particules dans l'électrode positive - un autre problème d'interface. Dans ce cas, une solution standard consiste à ajouter un « liant », un autre matériau qui fait que les particules se collent.
Leur analyse a confirmé que sans le liant, les performances sont médiocres et le coût de la batterie à base de LPSCl est supérieur à 500 $/kWh. L'ajout du liant améliore considérablement les performances et le coût baisse de près de 300 $/kWh. Dans ce cas, le coût d'ajout du liant pendant la fabrication est si faible qu'essentiellement toute la diminution de coût résultant de l'ajout du liant est réalisée. Ici, la méthode mise en œuvre pour résoudre le problème d'interface est payante à moindre coût.
Les chercheurs ont effectué des études similaires sur d'autres batteries à l'état solide prometteuses rapportées dans la littérature, et leurs résultats étaient cohérents : le choix des matériaux et des processus de batterie peut affecter non seulement les résultats à court terme en laboratoire, mais également la faisabilité et le coût de fabrication du batterie à l'état solide proposée à l'échelle nécessaire pour répondre à la demande future. Les résultats ont également montré qu'il est important de considérer les trois facteurs ensemble (disponibilité, besoins de traitement et performances de la batterie) car il peut y avoir des effets collectifs et des compromis impliqués.
Massachusetts Institute of Technology (MIT)
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