Fabriquer une batterie plus performante
Des appareils ménagers aux dispositifs intelligents, en passant par les véhicules et même les avions, le monde passe à l’électrique. Les batteries rechargeables et, en particulier, les batteries lithium-ion (BLI) sont à la base de ce changement. Bien que les BLI font des appareils électroniques portables une réalité et ouvrent la voie à des modes de transport durables, à un meilleur stockage et à une utilisation plus polyvalente des énergies renouvelables, elles ont néanmoins leurs limites. À titre d’exemple, de nombreuses BLI utilisent des matières premières coûteuses, telles que le cobalt et le nickel, et sont sujettes à de fortes fluctuations de prix. L’extraction de ces matériaux peut être nocive pour l’environnement et pour les personnes qui les exploitent. Par ailleurs, les BLI atteignent leurs limites en termes de densité énergétique, ce qui pourrait compromettre notre capacité à «tout électrifier». La somme de tous ces éléments révèle un besoin urgent de batteries plus durables et plus puissantes. Le projet CARBAT, financé par l’UE et consacré au développement d’une technologie de batterie à base de calcium (Ca) métallique, pourrait répondre à ce besoin. «Les batteries à base de calcium pourraient permettre de faire un bond en avant en termes de densité énergétique et de sécurité par rapport à la technologie actuelle des BLI», explique María Rosa Palacín, professeure de recherche à l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone (ICMAB-CSIC), qui a coordonné le projet. «Les batteries à base de Ca métallique sont particulièrement intéressantes, car le Ca est l’un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre et, en tant qu’anode de Ca métallique, il peut être utilisé avec une large gamme d’électrolytes assez conventionnels», ajoute Patrik Johansson, professeur à l’université de technologie Chalmers, qui a également participé au projet. Parmi les autres partenaires, citons l’Université Complutense de Madrid (site web en espagnol) et le Fraunhofer Institute for Silicon Technology.
Vers une preuve de concept
Le projet CARBAT avait pour objectif de réaliser une preuve de concept d’une cellule de batterie rechargeable à base d’anode de Ca métallique avec une densité énergétique considérablement plus élevée que celle offerte par les BLI actuelles. Pour ce faire, le projet a fait appel à une combinaison de conception informatique, de science des matériaux, d’électrochimie et d’ingénierie des batteries. Pour commencer, le projet a eu recours au criblage informatique pour sélectionner les matériaux les plus pertinents, dont les performances électrochimiques ont ensuite été soigneusement évaluées. «Le criblage informatique nous a permis d’identifier un certain nombre de matériaux inorganiques qui pourraient convenir comme électrodes positives», explique María Rosa Palacín. «Certains de ces matériaux ont finalement affiché des performances préliminaires intéressantes et, en utilisant la même approche, nous avons également découvert de nouvelles formulations prometteuses d’électrolytes.» Ensuite, le projet a construit de petites cellules de laboratoire, les a testées, validées et comparées à la technologie de pointe des BLI en utilisant à la fois des indicateurs clés de performance et de durabilité.
Une base importante
Grâce à ces travaux, les chercheurs du projet ont acquis une meilleure compréhension fondamentale des mécanismes en jeu et des performances potentielles qu’offrent ces nouveaux matériaux. «Comprendre comment utiliser le Ca comme anode est une étape cruciale vers la création de batteries à très haute densité énergétique», souligne Patrik Johansson. «Ce travail est la base à partir de laquelle nous espérons pouvoir développer et construire une batterie à base de Ca métallique offrant de meilleures performances et une plus grande durabilité», ajoute María Rosa Palacín. «Cela pourrait bien ouvrir la porte à l’utilisation à grande échelle des énergies renouvelables.» Les chercheurs poursuivent leurs travaux sur les électrodes et les électrolytes, tout en améliorant le niveau de préparation technologique du concept.
Mots‑clés
CARBAT, batterie, batteries, batteries à base de calcium métallique, durable, batteries lithium-ion, BLI, batteries rechargeables, dispositifs électroniques, énergie renouvelable, cobalt, nickel
