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Silicon and polyanionic chemistries and architectures of Li-ion cell for high energy battery

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Des batteries lithium-ion améliorées pour maximiser les performances des véhicules

Des batteries de conceptions révolutionnaires pourraient notablement améliorer les performances des cellules lithium-ion (Li-ion) actuelles et augmenter de manière significative l’autonomie des véhicules électriques sans occuper plus d’espace.

Énergie

Les batteries Li-ion sont devenues une source d’électricité indispensable pour nos dispositifs électroniques portables et portatifs dont la taille ne cesse de se réduire. En outre, du fait de leurs avantages remarquables par rapport aux autres types de batteries, par exemple leur densité de stockage d’énergie supérieure, elles ont permis le développement d’un large éventail d’applications au-delà de leur cœur de cible technologique, et notamment pour les véhicules hybrides et électriques. Les fabricants automobiles espèrent que l’évolution technologique des batteries, notamment en matière de performance, de coût, de sécurité, de possibilité de recyclage, de durée de vie et de poids permettra d’étendre l’autonomie des véhicules électriques et d’en réduire le coût, afin, au bout du compte, de rendre ce type de véhicules plus attrayant pour les clients. Le projet SPICY, financé par l’UE, a pour objectif de mettre au point une batterie Li-ion plus puissante, plus efficace, plus rentable, plus sure, plus légère, plus respectueuse de l’environnement et présentant une durée de vie supérieure, qui devrait répondre aux besoins des conducteurs de véhicules électriques. Le projet s’est penché sur les processus de production et sur toute la chaîne de valorisation des matériaux utilisés pour la fabrication des batteries Li-ion. «Développer de nouvelles formules chimiques et de nouvelles architectures de cellules pour les batteries Li-ion est la seule manière d’accroitre à la fois leur capacité et leur densité énergétique, et donc d’optimiser l’autonomie des véhicules électriques», explique Willy Porcher, responsable du projet. Des matériaux novateurs Les innovations de ce projet ont porté sur le développement de nouveaux matériaux actifs et d’électrolytes stables, sur l’utilisation d’un solvant plus respectueux de l’environnement pour la fabrication, sur l’évaluation d’une nouvelle architecture optimisée des cellules et sur un emballage de conception écologique. Afin de pouvoir les utiliser comme électrodes positives, des améliorations ont été apportées aux performances en matière de densité énergétique des matériaux à base de phosphate, en commençant par le lithium fer phosphate, LiFePO4. Bien qu’il s’agisse d’un matériau sûr et durable pour l’utilisation dans les cathodes, sa densité énergétique est faible du fait du potentiel électrochimique du Fe. En ayant recours à à des métaux de transition présentant un potentiel supérieur à celui du Fe, les chercheurs sont parvenus à améliorer de manière significative les performances électrochimiques et la densité énergétique de ce matériau. Des électrolytes présentant une fenêtre électrochimique large ont été testées, notamment le sulfolane et l’adiponitrile, et elles ont toutes deux permis d’accroitre la performance de cycle. Les chercheurs ont également démontré que l’utilisation d’un procédé aqueux pour la fabrication de la cathode simplifiait le processus de recyclage, permettant la récupération de plus de 50 % de la batterie. L’équipe a également étudié de nouveaux matériaux pour l’anode et notamment le silicium dans des composites avec du graphite ou dans un alliage à base de germanium. Du silicium a été produit grâce à de nouveaux procédés de synthèse pour les structures de nanoparticules et noyau-enveloppe afin d’améliorer la stabilité des particules. L’ajout de sels Li-imide aux électrolytes s’est révélé positif pour la stabilité de cycle de la cellule Li-ion, en créant une interface plus stable entre l’électrolyte et les électrodes. SPICY a testé quatre architectures de cellules différentes et a également produit un emballage modulaire léger composite ainsi qu’un connecteur d’alimentation durable sans résistance supplémentaire. «La combinaison de ce que l’on appelle les dispositifs interconnectés moulés avec un emballage composite des cellules permettra la mise au point de systèmes très compacts avec des niveaux de sécurité supérieurs, un volume réduit et des coûts moindres», souligne Willy Porcher. Des batteries à bas coût et à haute performance L’évaluation du cycle de vie et l’analyse des coûts réalisées dans le cadre du projet ont contribué à la définition des meilleures options pour la fabrication de la prochaine génération de batteries Li-ion destinées aux véhicules électriques en Europe. «Dans nos efforts pour minimiser l’impact des batteries sur l’environnement, nous avons conclu qu’il est préférable de mettre l’accent sur l’amélioration du contenu en énergie plutôt que sur la sélection de matériaux présentant un impact environnemental plus réduit» souligne Willy Porcher. L’objectif global du projet était de réduire les coûts de production des batteries de 20 % et d’en augmenter la performance de 20 % grâce à l’utilisation de matériaux meilleur marché et à une conception intelligente des cellules. En optimisant les coûts et en intégrant des principes de conception écologiques, cette collaboration multidisciplinaire, qui implique des partenaires industriels, universitaires et des centres de recherche, devrait contribuer à la constitution d’une base industrielle solide et permettre aux producteurs européens de batteries de tirer profit des marchés internationaux.

Mots‑clés

SPICY, véhicule électrique, lithium-ion (Li-ion), batteries, densité énergétique, architecture de cellule, électrode, emballage composite, lithium fer phosphate

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