Saviez-vous pourquoi les batteries Lithium-Fer-Phosphate (LFP) avaient une capacité si inférieure à leur valeur théorique ? Nous non plus, et la science non plus, en dépit d’efforts de recherche considérables. Une équipe de l’université technologique de Graz, en Autriche, aurait trouvé la réponse à cette énigme. Préparez votre voyage au cœur de la matière.
On ne présente plus les batteries LFP, et leur rôle de plus en plus important dans la transition énergétique : excellente durée de vie, sécurité, besoin moindre en matériaux coûteux et stratégiques, elles se sont taillé une place de choix dans le stockage stationnaire et progressivement dans les véhicules électriques. Leur capacité est toutefois moindre que les autres batteries lithium-ion, et, en particulier, moindre que leur capacité théorique. Et la raison de cette performance en deçà de ce qui était attendu ne lassait pas de défier les tentatives d’explication scientifiques.
Ce mystère a sans doute été résolu par une étude d’une équipe de chercheurs de l’Université technologique de Graz, menée par le chercheur Nikola Šimić. Les résultats de leurs travaux ont été publiés très récemment dans la revue Advanced Energy Material (l’article est en accès libre).
À lire aussi Guerre des batteries : les prix vont-ils poursuivre leur chute ?Le mystère de la capacité plus faible que prévu des batteries LFP
Rappelons les données du problème : d’après Šimić et son équipe, la capacité théorique d’une batterie LFP peut être calculée à 170 mAh/g. Cette unité, le « miliampère-heure par gramme de batterie » n’est pas d’un usage courant, mais nous allons la décrypter. L’ampère-heure représente la charge électrique d’une batterie à une tension électrique spécifique. Si nous considérons la tension nominale d’une batterie LFP est de l’ordre 3,2 V, cette capacité théorique peut se convertir en une valeur de 540 Wh par kilogramme de batterie. Les auteurs indiquent toutefois que la capacité effective est plus faible de 10 à 25 %.
Nous pouvons noter au passage que ces valeurs de capacité par unité de masse sont élevées par rapport aux valeurs plus couramment connues, qui sont plutôt de l’ordre de 150 Wh/kg. Cette différence est due au fait que les chercheurs parlent dans leur article de la capacité de l’électrode elle-même, et non pas de la batterie complète, qui comprend bien sûr de nombreux autres matériaux, eux aussi pesants.
Les batteries LFP, comme les autres batteries lithium-ion, reposent sur le principe du transfert des atomes de lithium entre une électrode positive et une électrode négative (plus précisément, il s’agit du transfert d’ion lithium Li+). Au cours de la charge, les ions lithium quittent le matériau de l’électrode négative (on parle de « délithiation »), et viennent s’intégrer dans la microstructure du matériau de l’électrode positive (« lithiation ») ; au cours de la décharge, le mouvement s’inverse.
À lire aussi Une batterie explose et détruit une maisonL’explication de l’équipe autrichienne
Pour résoudre l’énigme, les chercheurs ont utilisé un microscope électronique à transmission (TEM), pour pratiquer une technique dite de diffraction appelée SAED (pour Selected area electron diffraction, que l’on pourrait traduire en français par diffraction des électrons dans une zone sélectionnée). Cette technique leur a permis d’établir finement la composition et la structure cristalline du matériau de l’électrode positive (en phosphate de fer-lithium), avec une résolution spatiale de l’ordre du nanomètre, c’est-à-dire quelques atomes.
Cette analyse a permis d’observer le mouvement des ions lithium pendant les phases de lithiation/délithiation, et d’en tirer de grands enseignements. Le plus significatif d’entre eux, notamment en ce qui concerne la capacité de la batterie, réside dans le fait qu’une électrode conserve encore un peu de lithium, même après délithiation. Par ailleurs, ce lithium résiduel est distribué de manière hétérogène dans l’électrode, c’est-à-dire qu’il est continu dans des zones un peu plus riches en lithium, environnées de zones complètement sans lithium.
Ces études vont permettre de mieux comprendre les processus de lithiation/délithiation, et ainsi d’espérer augmenter la capacité des batteries LFP. Les auteurs indiquent que la piste identifiée peut permettre d’améliorer la compréhension d’autres types de batteries également.
Je viens de voir une vidéo disant que Tesla a mis au point une batterie à base d’aluminium capable de stocker 1000Wh/kg. Il faut attendre pour voir si c’est du lard ou du cochon mais quand on y pense… L’atome de lithium ou de sodium, vu leur position dans la tableau des éléments, ne peuvent libérer qu’un seul électron lors de leur ionisation. L’atome d’aluminium, lui , peut libérer 3 électrons pour s’ioniser en Al(3+). Donc 3x plus de charges électriques en mouvement. Et comme l’aluminium est le 3e élément le plus abondant dans la croûte terrestre (8%) devant le… Lire plus »
le fer à aussi un potentiel théorique énorme, cependant les défis sont nombreux et la mise au point de nouvelles batteries est un travail de long et difficile.
Oui, le fer pourquoi pas. Il s’ionise en Fe(2+) et Fe(3+).
Son prix est inférieur à celui de l’aluminium.
Souhaitons bonne chance et bonne réussite aux chercheurs, si possible européens et français, afin que les usines de production soient chez nous et créent des emplois et de la richesse chez nous.
La première énergie d’ionisation de l’aluminium est la même que celle du lithium (environ 500 eV). Pour libérer 2 électrons c’est x3, soit environ 1500eV. Alors pour en libérer 3…
Si on raisonne théoriquement, ça peut marcher. Mais il faut être capable de limiter l’ionisation de l’aluminium au niveau 1.
”Au cours de la charge, les ions lithium quittent le matériau de l’électrode négative … , et viennent s’intégrer dans la microstructure du matériau de l’électrode positive”
Pas de bol, c’est le contraire qui se passe au cours de la charge, les ions positif lithium vont de l’electrode positive, la carhode vers l’électrode négative, l’anode. 😉