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Dans un monde où les véhicules électriques gagnent en popularité, une question persiste: comment les alimenter de manière durable ? Une équipe de chercheurs du MIT pourrait avoir trouvé une réponse prometteuse. Leur dernière étude, publiée dans la revue ACS Central Science, présente une nouvelle matière pour les batteries lithium-ion, qui s'écarte des traditionnels cobalt et nickel au profit de matériaux organiques. Ce progrès pourrait transformer le paysage des batteries pour véhicules électriques.

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Les batteries actuelles, essentielles aux véhicules électriques, dépendent largement du cobalt, un métal aux coûts financiers, environnementaux et sociaux élevés. Le cobalt, bien qu'offrant une haute stabilité et densité énergétique, pose plusieurs problèmes: sa rareté, le coût fluctuant, et des enjeux éthiques liés à son extraction. Pour pallier ces inconvénients, des alternatives comme le lithium-fer-phosphate (LFP) sont explorées, mais elles offrent une densité énergétique moindre.

Dans ce contexte, l'innovation du MIT s'avère très prométeuse. Les chercheurs ont créé un matériau entièrement organique, constitué de plusieurs couches de TAQ (bis-tetraamino-benzoquinone), une petite molécule organique. Cette structure, semblable au graphite, permet une conductivité et une capacité de stockage comparables à celles des batteries contenant du cobalt. De plus, la forte stabilité et l'insolubilité de ce matériau dans l'électrolyte de la batterie prolongent sa durée de vie, dépassant 2000 cycles de charge avec une dégradation minimale.

Ce matériau organique présente plusieurs avantages. D'une part, il peut être produit à un coût bien inférieur à celui des batteries contenant du cobalt. D'autre part, sa vitesse de charge et de décharge est supérieure, ce qui pourrait accélérer le rechargement des véhicules électriques. Le coût matériel de ces batteries organiques pourrait représenter un tiers à la moitié de celui des batteries intégrant du cobalt.

Cet avancement ouvre non seulement la voie à des batteries plus durables et économiques pour les véhicules électriques, mais marque également un pas en avant significatif dans la recherche de solutions de rechange aux batteries traditionnelles. Lamborghini a déjà acquis une licence de cette technologie, et le laboratoire du MIT continue de développer des matériaux de batterie alternatifs, envisageant même de remplacer le lithium par du sodium ou du magnésium.

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Caractérisation du TAQ. (A) Cathodes organiques courantes à faible teneur en matière active et cathodes à base de TAQ à teneur élevée et pratique en matière active. (B) Le tautomérisme céto-énol est représenté par les formes quinone et imine avec différents niveaux d'énergie. (C) Le spectre RMN 13C à l'état solide confirme les formes quinone et imine. (D) Couche 2D de molécules de TAQ formées par liaison hydrogène intermoléculaire (lignes pointillées). (E) Empilement π-π de couches 2D avec un espacement inter-couches de 3,14 Å. (F, G) Empilement moléculaire dans le plan et hors du plan de TAQ observé dans les images cryo-EM. (H) Spectres 1H et 13C du surnageant obtenu après chauffage du TAQ dans du N,N-diméthylformamide deutéré (DMF-d7) à 120 °C pendant 12 h. Les astérisques indiquent les pics du solvant. (I) Spectres DRUV-vis du TAQ et d'autres OEM prototypiques. (J) Conductivités électriques de différentes classes d'OEM, de TAQ et de matériaux d'électrodes inorganiques de pointe en fonction des quantités typiques d'additifs utilisés pour la fabrication des électrodes. Le poly(acétylène), le poly(pyrrole), le poly(thiophène) et la poly(aniline) sont exclus parce qu'ils fonctionnent par insertion d'anions plutôt que par insertion de Li . Les astérisques indiquent une diminution rapide de la capacité au cours des premiers cycles, principalement due à la dissolution. Les détails des OEM en I et J sont résumés dans les figures S7 et S9.

Caractérisation d'électrodes TAQ pures. (A) Profils de tension GCD de trois cellules TAQ||Li à 25 mA g-1. L'augmentation des charges massiques de l'électrode de 1,5 à 10 mg cm-2 conduit à une rétention de 70 % de la capacité réversible. (B) Capacité de puissance des électrodes TAQ nues enregistrée de 40 mA g-1 (0,2 C) à 750 mA g-1 (3,75 C). (C) Capacité de puissance enregistrée à différents taux de charge CCCV et à un taux de décharge de 0,5 C. (D) Cycle lent d'une pile complète TAQ/GrLi. L'encadré montre la photo d'une pile démontée après le cyclage. (E) Études de cyclage d'une demi-cellule TAQ||Li pure et d'une cellule complète TAQ||GrLi pure à des taux plus élevés : 1CCCV/1C et 4CCCV/0,5C. (F) Le spectre 13C ssNMR ex-situ de l'électrode TAQ pure déchargée à 2,0 V montre la disparition des signaux C═N et C═O. (G) Les spectres FTIR ex-situ d'électrodes TAQ pures à différents stades d'un cycle de décharge-charge montrent des changements réversibles dans les signatures chimiques. (H) Spectres DRUV-vis ex-situ de TAQ à différents stades de la décharge. (I) Représentation schématique du mécanisme d'oxydoréduction du TAQ.

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