Le parfait sandwich à l’électrolyte

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La batterie du futur devra être efficace, sécuritaire, durable, bon marché et d’origine éthique. 

C’est une longue liste, mais Jeff Dahn, un chercheur pionnier du développement des batteries lithium-ion (Li-ion), est bien placé pour trouver la recette. Au début de l’année, son groupe de recherche à l’Université Dalhousie de Halifax, en Nouvelle-Écosse, a renouvelé son partenariat de recherche industrielle avec Tesla. 

« L’objectif est de s’affranchir complètement des combustibles fossiles », prononce le chercheur. 

Les batteries stockent l’énergie pour une utilisation ultérieure, mais des milliers de cycles de charge-décharge peuvent dégrader les matériaux qui les composent. Toutefois, si l’on parvenait à fabriquer des batteries Li-ion pour les véhicules électriques qui ne se dégradent pas après des années de fonctionnement, elles pourraient être utilisées pour stocker de l’énergie pendant qu’ils sont garés. Cette pratique est nommée véhicule-réseau. Cela permettrait de stocker les énergies renouvelables à l’échelle du réseau. « Nous devons être en mesure d’utiliser l’énergie solaire et éolienne même si elle n’est pas présente en permanence », explique-t-il. 

Même si la technologie Li-ion est devenue plus abordable ces dernières années, son coût reste un obstacle important à son adoption massive. Une façon de réduire le coût est de faire durer les batteries plus longtemps. Pour cela, il faut modifier leur composition chimique.

« Une batterie est comme un sandwich », dit Jeff Dahn. La viande du sandwich est l’électrolyte, un liquide conducteur d’ions. Les ions de lithium voyagent dans ce liquide entre les électrodes positives et négatives, les tranches de pain. Les ions réagissent avec l’électrolyte et les électrodes, ce qui est à l’origine de la dégradation de la batterie au fil du temps. La composition de l’électrolyte et des revêtements des électrodes doit donc minimiser ces réactions.

Pour cela, il faut comprendre comment les matériaux interagissent au niveau atomique. Des matériaux prometteurs trouvés expérimentalement dans le laboratoire du Dahn font alors l’objet d’une analyse plus approfondie par simulation informatique. « On commence avec une boîte d’atomes », explique Marc Cormier, doctorant dans le laboratoire de Jeff Dahn. « En utilisant les principes de la mécanique quantique, on peut apprendre les propriétés physiques d’une collection d’atomes ».

Une telle analyse est exigeante sur le plan informatique pour un ordinateur de bureau ordinaire, c’est pourquoi Cormier compte sur les ressources de la fédération Calcul Canada pour faire tourner les chiffres. Il utilise le Vienna Ab initio Simulation Package (VASP), un programme informatique qui modélise les matériaux à l’échelle atomique, qu’il introduit dans les superordinateurs.

« Un matériau, c’est comme une plage », soumet le doctorant. « Prenez une poignée de sable et regardez les grains. Si vous apprenez à connaître cette poignée, vous apprenez à connaître toute la plage. »

Cette approche permet aux chercheuses et aux chercheurs en technologies propres de regarder au-delà de l’efficacité énergétique et de répondre aux préoccupations éthiques concernant l’approvisionnement en matériaux. 

Le cobalt en est un bon exemple. « L’électrode positive détermine la quantité d’énergie que l’on peut stocker, et c’est la partie la plus coûteuse d’une cellule lithium-ion », explique Cormier. Dans de nombreuses cellules Li-ion, l’électrode positive contient du cobalt. Le problème est qu’environ 60 % de l’extraction du cobalt dans le monde se fait en République démocratique du Congo, où les pratiques dangereuses de travail et l’emploi des enfants ne sont pas correctement contrôlés.

Le groupe de Jeff Dahn et d’autres chercheurs dans le monde ont démontré de manière expérimentale que le cobalt n’est pas nécessaire dans ces matériaux, et que sa suppression entraîne quelques compromis mineurs. 

En analysant cet élément par le biais de la modélisation théorique, Cormier espère mieux comprendre son rôle dans la batterie et, s’il est retiré, comment la batterie peut encore fonctionner comme prévu. Ceci, à son tour, pourrait conduire à la production de batteries propres et exemptes d’exploitation.

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