ECOBAT : Des matériaux innovants pour challenger les limitations des batteries lithium-ion

Les batteries sont l'une des technologies clés de la transition vers une société zéro impact sur le climat. La plupart de ces batteries nécessitent l’utilisation de métaux assez rares, par exemple, le nickel ou le cobalt. Le processus d'extraction présente des risques environnementaux importants et les conditions de travail des mineurs sont souvent très mauvaises. Par ailleurs, la technologie actuelle des batteries lithium-ion atteint ses limites tant au niveau des performances et de la durée de vie qu’au niveau de la réduction des coûts, tout en dépendant donc de plusieurs matières premières essentielles. 

L’objectif du projet « Electrocoordination chemistry of s-block éléments in organic media for future batteries » ECOBAT est de proposer des solutions innovantes de nouveaux matériaux tout en approfondissant la compréhension des mécanismes sous-jacents, tant d'un point de vue expérimental que théorique. Des investigations sont conduites pour utiliser des matériaux à base de carbone, naturels et non polluants.  L’ambition de ce projet est donc de répondre aux limitations actuelles de ces batteries lithium-ion pour ce qui concerne leur capacité énergétique, leur durée de vie, et la disponibilité des matières premières nécessaires à leur fabrication. ECOBAT réunit 5 experts dans le domaine des cathodes organiques à haute performance, de l'utilisation efficace des anodes métalliques, des électrolytes avancés, en combinant des approches de chimie expérimentale et de chimie computationnelle.

Dans ce contexte, l’expertise en chimie théorique et computationnelle de Benoît Champagne et Pierre Beaujean permet de simuler ces mécanismes et de les analyser à l’échelle moléculaire. Ces simulations numériques emploient les techniques de la fonctionnelle de la densité (pour caractériser les surfaces) mais également de la dynamique moléculaire ab initio (solution). Elles sont effectuées sur le supercalculateur européen LUMI, le supercalculateur wallon LUCIA, ainsi que sur les clusters du CÉCI et de la plateforme technologique PTCI de l'Université de Namur. Le tout est réalisé dans une approche multidisciplinaire, en étroite collaboration avec des équipes expérimentales (UCLouvain et KULeuven) et d'autres théoriciens (Université de Bonn).

Interrogé dans le cadre du projet au sujet de la manière dont il voit les batteries du futur, Pierre Beaujean explique : 

"La communauté scientifique a presque atteint la capacité théorique des batteries au lithium dans leur conception actuelle. Comme il est peu probable que ces piles au lithium s'améliorent encore, elles ne constitueront pas la technologie de l'avenir. Nous devons changer fondamentalement la nature des batteries, très probablement en choisissant un métal différent. Ce choix impliquera un compromis entre la quantité de charge électrique que nous pouvons stocker et la masse de la batterie.  Il existe de nombreuses possibilités pour les batteries du futur, y compris celles avec des cathodes organiques et polymères, des conceptions sans métal, ou encore des batteries à solution solide.

Le domaine de la technologie des batteries évolue rapidement et je garde l'espoir que celles que nous développons seront meilleures ! 😊"

Le projet ECOBAT (#40007515) est financé par le FWO et le FNRS dans le cadre du programme EOS – The Excellence of Science.