Des scientifiques de l’Université McGill mettent au point un procédé de fabrication des piles aux ions de lithium plus propre et plus abordable

Une équipe de recherche de l’Université McGill, en collaboration avec des collègues des États-Unis et de la Corée du Sud, a mis au point une nouvelle méthode de fabrication des matériaux utilisés dans la production des piles aux ions de lithium à haut rendement qui pourrait contribuer à l’abandon progressif de métaux coûteux ou difficiles à obtenir, comme le nickel et le cobalt.

L’équipe cherche à créer une méthode améliorée de production de particules cathodiques DRX (disordered rock-salt, ou sels à structure désordonnée) qui remplaceraient certains matériaux utilisés dans la composition des piles. Jusqu’à présent, les fabricants avaient du mal à obtenir une taille et une qualité uniformes pour les particules DRX, qui étaient par conséquent instables et difficiles à utiliser en fabrication. L’équipe de recherche a résolu ce problème en mettant au point une méthode qui permet de produire des particules à haute cristallinité de taille uniforme sans broyage ni traitement subséquent.

« Notre méthode permet la production de masse de cathodes DRX de qualité uniforme, ce qui est essentiel pour leur utilisation dans les véhicules électriques et pour le stockage d’énergie renouvelable », a déclaré Jinhyuk Lee, auteur-ressource de l’article et professeur adjoint au Département de génie des mines et des matériaux.

L’équipe de recherche affirme que ses conclusions, publiées dans Nature Communications, offrent une avenue prometteuse vers des piles aux ions de lithium plus durables et plus rentables, élément essentiel dans la transition mondiale vers l’électrification des transports et l’utilisation d’énergies renouvelables.

Des matériaux révolutionnaires

L’équipe a conçu un processus en deux étapes de synthèse de particules DRX à partir de sel fondu. Ce sel permet de mieux contrôler la formation des particules et ainsi d’améliorer la qualité et l’efficacité. Les scientifiques ont d’abord provoqué la nucléation (formation de petits cristaux uniformes) des particules, puis ont limité leur croissance. Ils ont ainsi pu produire des particules prêtes pour la fabrication de piles, d’une taille inférieure à 200 nanomètres, taille considérée comme importante pour l’exploitation du potentiel de ces matériaux dans les piles aux ions de lithium.

« Nous avons mis au point la première méthode permettant de synthétiser directement des particules DRX individuelles à haute cristallinité et à dispersion uniforme sans qu’il soit nécessaire de procéder à un broyage après la synthèse, a déclaré Jinhyuk Lee. Ce contrôle morphologique améliore à la fois le rendement des piles et l’uniformité des cathodes DRX produites à grande échelle. »

Mis à l’essai dans des éléments de batterie, les nouveaux matériaux ont conservé 85 % de leur capacité après 100 cycles charge-décharge, ce qui représente un rendement plus de deux fois supérieur à celui des particules DRX produites à l’aide de méthodes plus anciennes.

Du laboratoire à l’entreprise privée

La recherche a été menée par une équipe de l’Université McGill, en collaboration avec des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory de l’Université de Stanford et de l’Institut supérieur coréen des sciences et technologies. Elle a été financée en partie par Wildcat Discovery Technologies, entreprise américaine spécialisée dans la fabrication de piles qui souhaite mettre à l’échelle les technologies DRX en vue d’une utilisation commerciale.

La méthode mise au point par l’équipe pourrait également rendre le processus plus écoénergétique et permettre une production à plus grande échelle, ce qui éliminerait un obstacle majeur à l’adoption généralisée des cathodes DRX. Compte tenu de la demande mondiale en piles, l’effet d’entraînement pourrait être important.

« L’acceptation de nos travaux met en évidence la pertinence fondamentale de notre méthode ainsi que son potentiel pour le secteur privé », a déclaré Hoda Ahmed, auteure principale de l’article et doctorante au Département de génie des matériaux de l’Université McGill. « Elle ouvre la voie à une fabrication à grande échelle. »

Selon l’équipe de recherche, cette stratégie de synthèse pourrait mener à la fabrication de piles aux ions de lithium de nouvelle génération plus durables, plus abordables et plus faciles à produire à grande échelle.

L’étude

L’article « Nucleation-promoting and growth-limiting synthesis of disordered rock-salt Li-ion cathode materials », par Hoda Ahmed, Moohyun Woo, Raynald Gauvin, George Demopoulos, Jinhyuk Lee et coll., a été publié dans Nature Communications.

La recherche a été financée par Wildcat Discovery Technologies et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada.