Un nouveau matériau auto-assemblé pourrait être la clé des batteries recyclables pour véhicules électriques
Des chercheurs du MIT ont conçu un électrolyte qui peut se décomposer à la fin de la vie d'une batterie, ce qui facilite le recyclage des composants
Le boom des véhicules électriques d'aujourd'hui est la montagne de déchets électroniques de demain. Et bien qu'une myriade d'efforts soient déployés pour améliorer le recyclage des batteries, de nombreuses batteries de véhicules électriques finissent encore dans les décharges.
Une équipe de chercheurs du MIT souhaite contribuer à changer cette situation grâce à un nouveau type de matériau de batterie auto-assemblé qui se désagrège rapidement lorsqu'il est immergé dans un simple liquide organique. Dans un nouvel article publié dans Nature Chemistry, les chercheurs ont montré que le matériau peut servir d'électrolyte dans une cellule de batterie fonctionnelle à l'état solide, puis revenir à ses composants moléculaires d'origine en quelques minutes.
Cette approche offre une alternative à la destruction de la batterie en une masse mixte difficile à recycler. Au contraire, comme l'électrolyte sert de couche de connexion à la batterie, lorsque le nouveau matériau reprend sa forme moléculaire d'origine, la batterie entière se désassemble pour accélérer le processus de recyclage.
"Jusqu'à présent, dans l'industrie des batteries, nous nous sommes concentrés sur des matériaux et des conceptions très performants, et ce n'est que plus tard que nous avons essayé de comprendre comment recycler les batteries fabriquées avec des structures complexes et des matériaux difficiles à recycler", explique le premier auteur de l'article, Yukio Cho PhD '23. "Notre approche consiste à commencer par des matériaux facilement recyclables et à trouver le moyen de les rendre compatibles avec les piles. Concevoir des batteries recyclables dès le départ est une nouvelle approche".
Les autres auteurs de l'article sont Cole Fincher, candidat au doctorat, Ty Christoff-Tempesta PhD '22, Yet-Ming Chiang, professeur de céramique à Kyocera, Julia Ortony, professeur associé invité, Xiaobing Zuo et Guillaume Lamour.
De meilleures piles
Dans l'un des films "Harry Potter", le professeur Dumbledore nettoie une maison délabrée d'un simple geste du poignet et d'un sort. Lorsqu'il a assisté à un exposé d'Ortony sur l'ingénierie des molécules afin qu'elles puissent s'assembler en structures complexes et revenir ensuite à leur forme initiale, il s'est demandé s'il était possible d'utiliser cette technique pour que le recyclage des piles fonctionne comme par magie.
Ce serait un changement de paradigme pour l'industrie des batteries. Aujourd'hui, le recyclage des piles nécessite des produits chimiques agressifs, une chaleur élevée et un traitement complexe. Une batterie se compose de trois parties principales : la cathode chargée positivement, l'électrode chargée négativement et l'électrolyte qui fait la navette entre les ions lithium. Les électrolytes de la plupart des batteries lithium-ion sont hautement inflammables et se dégradent avec le temps en sous-produits toxiques qui nécessitent une manipulation spécialisée.
Pour simplifier le processus de recyclage, les chercheurs ont décidé de fabriquer un électrolyte plus durable. Pour ce faire, ils se sont tournés vers une classe de molécules qui s'auto-assemblent dans l'eau, appelées amphiphiles aramides (AA), dont les structures chimiques et la stabilité imitent celles du Kevlar. Les chercheurs ont également conçu les AA de manière à ce qu'ils contiennent du polyéthylène glycol (PEG), qui peut conduire les ions lithium, à l'une des extrémités de chaque molécule. Lorsque les molécules sont exposées à l'eau, elles forment spontanément des nanorubans avec des surfaces PEG conductrices d'ions et des bases qui imitent la robustesse du Kevlar grâce à une liaison hydrogène étroite. Le résultat est une structure de nanoruban mécaniquement stable qui conduit les ions à travers sa surface.
"Le matériau est composé de deux parties", explique M. Cho. "La première partie est cette chaîne flexible qui nous donne un nid, ou un hôte, pour que les ions lithium puissent sauter. La deuxième partie est ce matériau organique solide utilisé dans le Kevlar, qui est un matériau pare-balles. Tout cela rend l'ensemble de la structure stable".
Lorsqu'ils sont ajoutés à l'eau, les nanorubans s'auto-assemblent pour former des millions de nanorubans qui peuvent être pressés à chaud pour former un matériau à l'état solide.
"Cinq minutes après avoir été ajoutée à l'eau, la solution devient gélatineuse, ce qui indique qu'il y a tellement de nanofibres formées dans le liquide qu'elles commencent à s'enchevêtrer les unes dans les autres", explique M. Cho. "Ce qui est passionnant, c'est que nous pouvons fabriquer ce matériau à grande échelle grâce à son comportement d'auto-assemblage.
L'équipe a testé la résistance et la ténacité du matériau et a constaté qu'il pouvait supporter les contraintes liées à la fabrication et au fonctionnement de la batterie. Ils ont également construit une cellule de batterie à l'état solide utilisant du phosphate de fer lithié pour la cathode et de l'oxyde de titane lithié pour l'anode, deux matériaux courants dans les batteries actuelles. Les nanorubans ont réussi à déplacer les ions lithium entre les électrodes, mais un effet secondaire connu sous le nom de polarisation a limité le mouvement des ions lithium dans les électrodes de la batterie pendant les périodes de charge et de décharge rapides, ce qui a entravé ses performances par rapport aux batteries commerciales actuelles de type "gold standard".
"Les ions lithium se déplaçaient bien le long des nanofibres, mais le passage des ions lithium des nanofibres à l'oxyde métallique semble être le point le plus lent du processus", explique M. Cho.
Lorsqu'ils ont plongé la cellule de la batterie dans des solvants organiques, le matériau s'est immédiatement dissous, chaque partie de la batterie se détachant pour faciliter le recyclage. M. Cho compare la réaction des matériaux à une barbe à papa immergée dans l'eau.
"L'électrolyte maintient les deux électrodes de la batterie ensemble et fournit les voies d'accès au lithium-ion", explique M. Cho. "Ainsi, lorsque vous souhaitez recycler la batterie, toute la couche d'électrolyte peut se détacher naturellement et vous pouvez recycler les électrodes séparément.
Validation d'une nouvelle approche
Selon M. Cho, le matériau est une preuve de concept qui démontre l'approche "recyclage d'abord".
"Nous ne voulons pas dire que nous avons résolu tous les problèmes avec ce matériau", précise-t-il. "Les performances de notre batterie n'étaient pas fantastiques parce que nous avons utilisé ce matériau comme électrolyte complet pour le papier, mais nous envisageons d'utiliser ce matériau comme une couche dans l'électrolyte de la batterie. Il n'est pas nécessaire d'utiliser l'ensemble de l'électrolyte pour lancer le processus de recyclage".
M. Cho estime également qu'il est possible d'optimiser les performances du matériau en procédant à d'autres expériences.
À présent, les chercheurs étudient les moyens d'intégrer ce type de matériaux dans les modèles de batteries existants et de mettre en œuvre ces idées dans de nouvelles chimies de batteries.
"Il est très difficile de convaincre les fournisseurs existants de faire quelque chose de très différent", explique M. Cho. "Mais avec les nouveaux matériaux de batterie qui pourraient apparaître dans cinq ou dix ans, il pourrait être plus facile de les intégrer dès le départ dans les nouvelles conceptions.
M. Cho pense également que cette approche pourrait contribuer à la reconstitution des stocks de lithium en réutilisant les matériaux des batteries qui se trouvent déjà aux États-Unis.
"Les gens commencent à se rendre compte de l'importance de cette question", explique M. Cho. "De plus, chaque batterie nécessite une certaine quantité de lithium. En extrapolant la croissance des véhicules électriques, nous devons donc réutiliser ce matériau pour éviter une flambée des prix du lithium.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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