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Redox anionique : quelles applications possibles pour les batteries de demain ?

Redox anionique : quelles applications possibles pour les batteries de demain ?

Des chercheurs du RS2E ont publié dans la revue Nature Energy un état des lieux du redox anionique, un phénomène électrochimique découvert à la fin de années 90, mais ignoré pendant plus de 10 ans avant de susciter de nouveau l’intérêt de la communauté scientifique. En effet, une activité redox anionique maitrisée pourrait permettre de doubler la capacité d’énergie stockée dans la batterie, et donc son autonomie. Ce processus pourrait également ouvrir la voie vers une composition plus « verte » des batteries, en permettant de réduire la part de cobalt employé, un matériau rare, couteux et toxique dont la production est source d’enjeux géopolitiques et écologiques importants.

Le Li-rich, un matériau prometteur… mais encore difficile à maitriser

Les chercheurs du RS2E travaillent depuis 2012 sur le redox anionique, un phénomène d’oxydation-réduction supplémentaire au redox cationique qui règlemente depuis 20 ans le fonctionnement des cathodes et anodes dans les batteries à ions lithium. Plusieurs papiers ont déjà été publiés sur la compréhension des mécanismes et des performances remarquables associées à ce phénomène, qui a été initialement découvert en étudiant des matériaux « Li-rich » modèles, à la composition enrichie en lithium. Une meilleure maitrise de ce phénomène, dont les auteurs de la publication font l’historique, permettait théoriquement d’augmenter l’autonomie des batteries de 20%. Mais le redox anionique présente encore de nombreuses limitations : chute de potentiel lors du cyclage, durée de vie limitée, lenteur de charge, … Autant de freins à la commercialisation de cette technologie, qui a pour l’instant le seul avantage d’une capacité exacerbée.

Afin de lever ces barrières et d’optimiser la technologie, une meilleure compréhension du phénomène est nécessaire. Les auteurs proposent donc un cheminement pédagogique montrant comment, à partir de bases fondamentales connues, il est possible de rendre compte de la complexité du phénomène, et d’en mesurer sa richesse mais aussi ses limitations.

Les chercheurs soulignent également l’importance de la mise en place d’un paradigme dans les méthodes de caractérisation du redox anionique, complexe à étudier et qui nécessite de modifier les protocoles de tests électrochimiques normalement utilisés. Chaque méthode possède dans ce cadre ses propres apports, et agissent en complémentarité.

Les matériaux Li-rich à l’épreuve des NMC ?

Pour mettre en évidence les caractéristiques nécessaires à ces matériaux Li-rich afin de les rendre commercialement compétitifs, les chercheurs ont comparé leurs performances à d’autres types de matériaux, notamment les NMC, un mélange de nickel (Ni), de manganèse (Mn) et de cobalt (Co) utilisé dans les batteries actuelles. Aujourd’hui les formulations de NMC les plus courantes dans l’industrie sont le NMC 111, composé de 33% de chaque élément, et le NMC 622, composé de 60% de Ni, 20% de Mn et 20% de Co. Dans la course vers la diminution du Co dans les batteries, les chercheurs travaillent actuellement sur la composition 811 (80% de Ni, pour seulement de 10% de Mn et 10 % de Co) dont l’intégration dans des batteries commerciales est planifiée pour 2021. La technologie des NMC aura alors rattrapée les matériaux Li-rich en termes de réduction de la part de Co employé.

Figure 1 : Les checheurs ont comparé les performances des materiaux Li-rich face au NMC, notamment le NMC 811. 

Par cette étude comparative, les chercheurs soulignent qu’en dehors de la capacité exacerbée et du taux de Co minimal, les composés Li-rich sont défavorisés par rapport aux prochaines générations de composés NMC (811) en termes d’efficacité énergétique, de puissance, et de durée de vie. Ils restent cependant optimistes tout en étant bien conscients que l’intégration de ces matériaux Li-rich, qui ont suscité tant d’engouement il y a quelques années, sera une aventure parsemée de challenges, qu’il faudra résoudre dans le temps limité imposé par la concurrence des NMC.

Reference :

Fundamental understanding and practical challenges of anionic redox activity in Li-ion batteries, G. Assat et J-M. Tarascon, Nature Energy, DOI : 10.1038/s41560-018-0097-0