Simplifier la production de lithium

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En ce qui concerne les innovations en matière de batteries, une grande attention est accordée aux nouvelles chimies et matériaux potentiels. On oublie souvent l'importance des processus de production pour réduire les coûts.

Aujourd'hui, la spin-out du MIT, 24M Technologies, a simplifié la production de batteries lithium-ion avec une nouvelle conception qui nécessite moins de matériaux et moins d'étapes pour fabriquer chaque cellule. La société affirme que la conception, qu'elle appelle "SemiSolid" pour son utilisation d'électrodes gluantes, réduit les coûts de production jusqu'à 40 %. L'approche améliore également la densité énergétique, la sécurité et la recyclabilité des batteries.

À en juger par l'intérêt de l'industrie, 24M est sur quelque chose. Depuis sa sortie du mode furtif en 2015, 24M a concédé sa technologie sous licence à des sociétés multinationales telles que Volkswagen, Fujifilm, Lucas TVS, Axxiva et Freyr. Ces trois dernières entreprises prévoient de construire des gigafactories (usines avec une capacité de production annuelle à l'échelle du gigawatt) basées sur la technologie de 24M en Inde, en Chine, en Norvège et aux États-Unis.

"La plate-forme SemiSolid a fait ses preuves à l'échelle de centaines de mégawatts produits pour les systèmes de stockage d'énergie résidentiels. Nous voulons maintenant le prouver à l'échelle du gigawatt", a déclaré le PDG de 24M, Naoki Ota, dont l'équipe comprend le co-fondateur de 24M, le chef scientifique et professeur du MIT Yet-Ming Chiang.

L'établissement de lignes de production à grande échelle n'est que la première phase du plan de 24M. Un autre élément clé de sa conception de batterie est qu'elle peut fonctionner avec différentes combinaisons de chimies lithium-ion. Cela signifie que les partenaires de 24M peuvent incorporer des matériaux plus performants sur toute la ligne sans modifier considérablement les processus de fabrication.

Le type de production rapide et à grande échelle de batteries de nouvelle génération que 24M espère permettre pourrait avoir un impact considérable sur l'adoption des batteries dans la société, du coût et des performances des voitures électriques à la capacité des énergies renouvelables à remplacer les combustibles fossiles.

"Il s'agit d'une technologie de plate-forme", déclare Ota. « Nous ne sommes pas seulement un opérateur à faible coût et hautement fiable. C'est ce que nous sommes aujourd'hui, mais nous pouvons également être compétitifs avec la chimie de nouvelle génération. Nous pouvons utiliser n'importe quelle chimie sur le marché sans que les clients ne modifient leurs chaînes d'approvisionnement. les startups essaient de résoudre ce problème demain, pas aujourd'hui. Notre technologie peut résoudre le problème aujourd'hui et demain.

Une conception simplifiée

Tchang,qui est professeur Kyocera de science et d'ingénierie des matériaux au MIT,a eu son premier aperçu de la production de batteries à grande échelle après avoir cofondé une autre société de batteries, A123 Systems, en 2001. Alors que cette société se préparait à devenir publique à la fin des années 2000, Chiang a commencé à se demander s'il pouvait concevoir une batterie qui serait plus facile à fabriquer.

"J'ai eu cette fenêtre sur ce à quoi ressemblait la fabrication de batteries, et ce qui m'a frappé, c'est que même si nous y sommes parvenus, c'était un processus de fabrication incroyablement compliqué", a déclaré Chiang. "Il est dérivé de la fabrication de bandes magnétiques qui a été adaptée aux batteries à la fin des années 1980."

Dans son laboratoire du MIT, où il est professeur depuis 1985, Chiang est parti de zéro avec un nouveau type d'appareil qu'il a appelé une "batterie à flux semi-solide" qui pompe des liquides transportant des électrodes à base de particules vers et depuis des réservoirs pour stocker une charge. .

En 2010, Chiang s'est associé à W. Craig Carter, qui est professeur POSCO de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, et les deux professeurs ont supervisé un étudiant, Mihai Duduta '11, qui a exploré les batteries à flux pour sa thèse de premier cycle. En un mois, Duduta avait développé un prototype dans le laboratoire de Chiang, et 24M était né. (Duduta était la première embauche de l'entreprise.)

Mais alors même que 24M travaillait avec le Technology Licensing Office (TLO) du MIT pour commercialiser les recherches effectuées dans le laboratoire de Chiang, les membres de l'entreprise, dont Duduta, ont commencé à repenser le concept de batterie à flux. Une analyse des coûts internes par Carter, qui a consulté 24M pendant plusieurs années, a finalement conduit les chercheurs à changer de direction.

Cela a laissé à l'entreprise des charges de boue gluante qui composait les électrodes de leurs batteries à flux. Quelques semaines après l'analyse des coûts de Carter, Duduta, alors chercheur principal chez 24M, a décidé de commencer à utiliser le lisier pour assembler les batteries à la main, en mélangeant les électrodes gluantes directement dans l'électrolyte. L'idée a fait son chemin.

Les principaux composants des batteries sont les électrodes chargées positivement et négativement et le matériau électrolytique qui permet aux ions de circuler entre elles. Les batteries lithium-ion traditionnelles utilisent des électrodes solides séparées de l'électrolyte par des couches de plastiques et de métaux inertes, qui maintiennent les électrodes en place.

L'élimination des matériaux inertes des batteries traditionnelles et l'adoption du mélange d'électrodes gluantes confèrent à la conception de 24M un certain nombre d'avantages.

D'une part, il élimine le processus énergivore de séchage et de solidification des électrodes dans la production lithium-ion traditionnelle. La société affirme que cela réduit également le besoin de plus de 80% des matériaux inactifs dans les batteries traditionnelles, y compris les plus coûteux comme le cuivre et l'aluminium. La conception ne nécessite également aucun liant et comporte des électrodes très épaisses, améliorant la densité d'énergie des batteries.

"Lorsque vous démarrez une entreprise, la chose intelligente à faire est de revoir toutes vos hypothèses et de vous demander quelle est la meilleure façon d'atteindre vos objectifs, qui dans notre cas étaient des batteries à faible coût fabriquées simplement", déclare Chiang. "Nous avons décidé que notre véritable valeur était de fabriquer une suspension lithium-ion qui était électrochimiquement active depuis le début, avec de l'électrolyte dedans, et vous utilisez simplement l'électrolyte comme solvant de traitement."

En 2017, 24M a participé à l'accélérateur de démarrage STEX25 du programme de liaison industrielle du MIT, dans lequel Chiang et ses collaborateurs ont noué des liens critiques avec l'industrie qui l'aideraient à conclure des partenariats précoces. 24M a également collaboré avec des chercheurs du MIT sur des projets financés par le ministère de l'Énergie.

Activer la révolution de la batterie

La plupart des partenaires de 24M lorgnent sur le marché en croissance rapide des véhicules électriques (VE) pour leurs batteries, et les fondateurs pensent que leur technologie accélérera l'adoption des VE. (Les coûts de la batterie représentent 30 à 40 % du prix des véhicules électriques, selon l'Institute for Energy Research).

"Les batteries lithium-ion ont fait d'énormes améliorations au fil des ans, mais même Elon Musk dit que nous avons besoin d'une technologie révolutionnaire", a déclaré Ota, faisant référence au PDG de la société de véhicules électriques Tesla. "Pour rendre les véhicules électriques plus courants, nous avons besoin d'une percée des coûts de production ; nous ne pouvons pas simplement compter sur la réduction des coûts grâce à la mise à l'échelle, car nous fabriquons déjà beaucoup de batteries aujourd'hui."

24M travaille également à prouver de nouvelles chimies de batterie que ses partenaires pourraient rapidement intégrer dans leurs gigafactories. En janvier de cette année, 24M a reçu une subvention du programme ARPA-E du ministère de l'Énergie pour développer et mettre à l'échelle une batterie à haute densité d'énergie qui utilise une anode au lithium métallique et une cathode semi-solide pour une utilisation dans l'aviation électrique.

Ce projet est l'un des nombreux dans le monde conçu pour valider de nouvelles chimies de batteries lithium-ion qui pourraient permettre une révolution des batteries longtemps recherchée. Alors que 24M continue de favoriser la création de lignes de production mondiales à grande échelle, l'équipe estime qu'elle est bien placée pour transformer les innovations de laboratoire en produits omniprésents et révolutionnaires.

"Cette technologie est une plate-forme, et notre vision est d'être comme le [système d'exploitation] Android de Google, où d'autres personnes peuvent créer des choses sur notre plate-forme", déclare Ota. "Nous voulons le faire, mais avec du matériel. C'est pourquoi nous accordons une licence à la technologie. Nos partenaires peuvent utiliser les mêmes lignes de production pour bénéficier des avantages des nouvelles chimies et approches. Cette plate-forme offre à chacun plus d'options."

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