Les recherches de la professeure Karin Kleiner sont consacrées au développement de matériaux énergétiques intelligents capables de soutenir la transition énergétique et d’atténuer les effets du réchauffement climatique. Dans le cadre du programme des Chaires de recherche du Canada (CRC), elle se concentre sur des procédés de fabrication durables ainsi que sur la conception de matériaux pour batteries à la fois économiques, écoénergétiques et offrant des performances améliorées.
Titulaire
Karin Kleiner, professeure régulière
- Membre réguliere de l’Unité mixte de recherche INRS-UQTR | Transition énergétique
- Titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les nouveaux matériaux énergétiques
Mise en contexte
Les émissions de gaz à effet de serre (GES), provenant notamment des procédés industriels énergivores et du transport, sont responsables du réchauffement climatique, qui entraîne des phénomènes météorologiques extrêmes affectant les populations à l’échelle mondiale. Avec une efficacité de 70 % entre le réseau et l’utilisateur final et un potentiel d’émissions nulles de GES lorsqu’elles sont alimentées par des sources d’énergie renouvelables, les batteries représentent la technologie la plus prometteuse pour une industrie du transport à faible empreinte carbone, un secteur responsable de 33 % des émissions mondiales de GES. Toutefois, des défis tels que les limitations de performance, les coûts élevés, les préoccupations environnementales liées à la production et au recyclage, ainsi que les enjeux liés aux chaînes d’approvisionnement en ressources, rendent nécessaires des efforts de recherche supplémentaires.
Objectifs
Le programme CRC proposé vise à améliorer la durabilité des batteries lithium-ion en combinant deux approches complémentaires :
- le développement de nouvelles voies de synthèse à faible empreinte carbone et à coût réduit pour le stockage d’énergie ;
- des modifications orientées application afin d’améliorer les performances des batteries.
La synthèse des matériaux de cathode à haute énergie, qui constitue l’étape la plus coûteuse et la plus énergivore de la fabrication des batteries, est associée à l’utilisation de matières premières critiques telles que le cobalt, à la production d’eaux usées ainsi qu’à des étapes de calcination particulièrement exigeantes en énergie.
L’objectif 1 du programme CRC proposé se concentre sur le développement de procédés de fabrication durables et économes en énergie pour des matériaux de cathode avancés, grâce à une approche innovante de spray-drying qui réduit l’usage de produits chimiques nocifs et diminue les besoins énergétiques liés à la calcination. Par ailleurs, l’équipe a développé une nouvelle stratégie de synthèse remplaçant le cobalt critique par du fer, plus abondant et moins coûteux, contribuant ainsi à des technologies de batteries plus durables, accessibles et résilientes.
L’objectif 2 porte sur le développement de mélanges de matériaux d’oxydes lamellaires à base de fer et sans cobalt, présentant un profil de tension à augmentation linéaire, combinant la haute densité d’énergie des oxydes lamellaires avec une meilleure durée de vie en cyclage et de meilleures performances en régime rapide, rendues possibles par les stratégies de mélange. Pour atteindre ces objectifs, des techniques avancées uniques de spectroscopie et de diffraction operando sont utilisées afin de guider la synthèse et d’ajuster en temps réel les paramètres clés de performance électrochimique.
Ce programme CRC permettra également la formation de personnel hautement qualifié (PHQ) et fournira des connaissances essentielles sur la synthèse et la fabrication de matériaux de batterie intelligents, indispensables pour soutenir la transition énergétique vers une économie et une société à faible empreinte carbone.