L’énergie des batteries : la prochaine génération

Imaginez un monde sans énergie portable. Pas de smartphones, pas de voitures électriques. C’est le monde dont M. Stanley Whittingham, John B. Goodenough et Akira Yoshino nous ont permis d’échapper. Le 9 octobre 2019, ces trois hommes ont partagé le prix Nobel de chimie. Leurs travaux sur les batteries lithium-ion ont révolutionné notre façon de stocker l’énergie. Ces batteries alimentent désormais tout, des téléphones aux véhicules électriques. Elles ont ouvert une nouvelle ère de l’électronique portable.

Avant eux, les batteries étaient un vrai casse-tête. Les batteries au plomb étaient lourdes et inefficaces. Les accumulateurs nickel-cadmium souffraient d’« effets mémoire ». Nous avions désespérément besoin d’une source d’énergie légère, puissante et rechargeable. Des scientifiques du monde entier cherchaient des réponses.

Le lithium, le métal le plus léger, semblait être un miracle. Il stocke une quantité impressionnante d’énergie par rapport à sa taille. Le vrai défi ? Fabriquer une batterie au lithium stable, sûre et rechargeable. Cette quête a duré des décennies et a mobilisé de nombreux esprits brillants. Aujourd’hui, les batteries lithium-ion alimentent presque tout ce qui est portable. Mais elles ont des limites. Ces limites poussent désormais les scientifiques à inventer des types de batteries entièrement nouveaux.

La naissance du lithium-ion (et ses problèmes)

Au début des années 1970, M. Stanley Whittingham travaillait chez Exxon. Il a fabriqué la première batterie lithium-ion fonctionnelle. Sa conception utilisait du disulfure de titane pour la cathode et du lithium métallique pour l’anode. Ce prototype a révélé le potentiel d’une énergie légère et rechargeable. Mais il présentait un gros problème de sécurité : les anodes en lithium métallique pouvaient provoquer des courts-circuits et des incendies.

En 1980, John B. Goodenough, alors à Oxford, a considérablement amélioré la conception. Il a remplacé le disulfure de titane par de l’oxyde de lithium et de cobalt. Ce matériau offrait une tension plus élevée et une plus grande stabilité. Son idée a ouvert la voie à une batterie pratique et puissante. Elle était également beaucoup plus sûre que la première tentative de Whittingham.

Akira Yoshino, chez Asahi Kasei au Japon, a franchi la dernière étape clé en 1985. Il a utilisé du coke de pétrole comme anode pour sa batterie lithium-ion. Cela a permis d’éliminer entièrement le lithium métallique dangereux. Sa conception déplaçait les ions lithium entre le carbone et l’oxyde de cobalt. Le résultat ? Une batterie stable et rechargeable prête à être commercialisée. Sony a vendu les premières en 1991.

Au début des années 1970, M. Stanley Whittingham a mis au point le premier prototype fonctionnel de batterie lithium-ion chez Exxon, avec une cathode en disulfure de titane et une anode en lithium métallique. Cette conception pionnière, bien qu'instable, a jeté les bases de toute l'électronique portable moderne. (Illustration générée par IA)

Ces percées ont déclenché la révolution de l’électronique portable. Les ordinateurs portables, les téléphones mobiles et plus tard les voitures électriques en dépendaient tous. Mais la technologie lithium-ion a atteint ses limites. Les gains d’énergie sont devenus minimes. La vitesse de charge restait problématique. Des matériaux comme le cobalt étaient chers et difficiles à trouver. Ces problèmes ont poussé les scientifiques à chercher quelque chose de nouveau.

L’état solide : plus sûr, plus puissant

Le principal problème des batteries lithium-ion actuelles est leur électrolyte liquide. Ce liquide est inflammable. Il s’use également, ce qui réduit la durée de vie de la batterie. L’électrolyte liquide impose des limites de conception, empêchant les batteries de stocker davantage d’énergie. Les chercheurs ont compris qu’un matériau solide pourrait résoudre tous ces problèmes.

Au début des années 2010, les batteries à état solide sont devenues une idée concrète. Ces batteries utilisent un électrolyte solide. Ce matériau solide déplace les ions lithium entre l’anode et la cathode. Il n’y a donc pas de séparateur liquide inflammable. Cela les rend beaucoup plus sûres. Cela nous permet également d’y intégrer davantage de matière active.

Les électrolytes solides se présentent sous forme de céramiques, de polymères ou de sulfures. Chacun a ses avantages et ses inconvénients. Les électrolytes céramiques déplacent bien les ions, mais ils peuvent être fragiles. Les électrolytes polymères sont flexibles, mais ne conduisent souvent pas aussi bien à température ambiante. Les électrolytes sulfurés sont performants, mais ils sont sensibles à l’humidité.

Plusieurs entreprises ont fait de grands progrès. En 2020, la startup californienne QuantumScape a annoncé de bons résultats de tests. Leurs batteries se chargeaient rapidement et stockaient beaucoup d’énergie. Toyota a également investi massivement dans la technologie à état solide. Leur objectif était de les commercialiser d’ici le milieu des années 2020, selon Nikkei Asia. Ces avancées pourraient signifier des véhicules électriques plus sûrs, à recharge plus rapide et avec une plus grande autonomie. Mais leur fabrication en série reste difficile.

Au-delà du lithium : d’autres types de batteries

La prolifération des batteries lithium-ion soulève des inquiétudes quant à l’approvisionnement. Le lithium, le cobalt et le nickel ne sont pas partout. Leur extraction nuit également à l’environnement. Ainsi, les chercheurs ont commencé à se pencher sur d’autres types de batteries. Ils voulaient des matériaux moins chers et plus courants.

Les batteries sodium-ion sont devenues un candidat de premier plan. Le sodium est beaucoup plus courant que le lithium. On le trouve dans l’eau de mer et le sel de table. Les scientifiques connaissent le potentiel du sodium depuis des décennies. Mais fabriquer des électrodes stables était difficile. Les ions sodium sont plus gros que les ions lithium, ce qui compliquait les choses.

Une cellule de batterie à état solide prototype, qui représente une « nouvelle frontière » majeure dans le stockage d'énergie. Ces batteries remplacent les électrolytes liquides inflammables par un matériau solide, promettant une sécurité accrue, une densité énergétique plus élevée et une charge plus rapide pour les futurs véhicules électriques et l'électronique portable. (Source : saphiion.com)

Les avancées récentes en science des matériaux ont tout changé. CATL, le plus grand fabricant de batteries au monde, a réalisé de grandes avancées. En 2021, CATL a présenté sa première batterie sodium-ion. Elle offrait une bonne densité énergétique et fonctionnait bien par temps froid. Faradion, une entreprise britannique, a également ouvert la voie dans la technologie sodium-ion. Leur objectif est de concevoir des modèles bon marché et performants.

Actuellement, les batteries sodium-ion stockent moins d’énergie que les batteries lithium-ion. Mais elles conviennent au stockage sur réseau ou aux véhicules à autonomie plus courte. Elles sont bon marché et courantes, ce qui les rend attrayantes. Elles fonctionnent bien pour les utilisations où le poids importe peu. Elles fonctionneront probablement aux côtés des batteries lithium-ion, sans les remplacer, dans de nombreux domaines.

Énergie extrême : lithium-soufre et lithium-air

Certains chercheurs s’intéressent à des types de batteries offrant une densité énergétique bien supérieure. Ils veulent surpasser même les futures cellules lithium-ion à état solide. Les batteries lithium-soufre (Li-S) et lithium-air (Li-air) en sont deux exemples. Celles-ci pourraient considérablement étendre l’autonomie des batteries. Imaginez alimenter des vols long-courriers ou des camions lourds.

Les batteries lithium-soufre utilisent une anode en lithium métallique et une cathode en soufre. Le soufre est bon marché et courant. Théoriquement, il peut contenir cinq fois plus d’énergie par kilogramme que les cathodes lithium-ion actuelles. Cela rend les batteries Li-S extrêmement légères pour la quantité d’énergie qu’elles contiennent. Théoriquement, elles peuvent atteindre plus de 2500 Wh/kg.

Les problèmes incluent l’« effet navette des polysulfures ». Ce phénomène entraîne une perte de matière active dans la batterie lorsqu’elle se charge et se décharge. Ce qui dégrade rapidement les performances de la batterie. Des chercheurs comme Shirley Meng à l’UC San Diego développent de nouveaux électrolytes. Ils conçoivent également de meilleurs séparateurs pour contrer cet effet. Nous ne les verrons pas dans les magasins avant des années.

Les batteries lithium-air offrent l’énergie théorique la plus élevée. Elles extraient l’oxygène de l’air pour réagir avec le lithium, produisant du peroxyde de lithium. Cela signifie que la batterie n’a pas besoin de transporter un oxydant. Leur densité énergétique théorique est comparable à celle de l’essence. Mais elles sont confrontées à d’énormes obstacles techniques. Parmi les problèmes, on compte : une durée de vie limitée en termes de cycles, une faible puissance et une dégradation de leur électrolyte. Ces batteries sont principalement des projets de recherche. Si nous résolvons les problèmes, elles pourraient tout changer.

Fabrication et recyclage : boucler la boucle

Les nouveaux types de batteries ne sont qu’une partie de la réponse. La façon dont nous fabriquons et gérons les batteries après leur premier cycle de vie est tout aussi importante. La fabrication consomme beaucoup d’énergie et produit des déchets. Les matières premières proviennent souvent de lieux vulnérables à l’extraction minière. Améliorer ces étapes est essentiel pour un avenir durable.

Les batteries lithium-soufre (Li-S) sont une technologie prometteuse à « énergie extrême », théoriquement capables d'atteindre plus de 2500 Wh/kg grâce à leur cathode légère en soufre. Les chercheurs travaillent activement à surmonter des défis tels que l'« effet navette des polysulfures » pour libérer leur potentiel pour des applications comme les vols long-courriers. (Source : interestingengineering.com)

La fabrication d’électrodes à sec est une approche prometteuse. Cette méthode élimine les solvants toxiques lors de la production d’électrodes. Les méthodes traditionnelles utilisent du NMP, dont le nettoyage est coûteux et qui est nocif pour l’environnement. Le revêtement à sec réduit la consommation d’énergie et les déchets. Tesla s’est penché sur cette question après avoir acheté Maxwell Technologies. CATL utilise également le revêtement à sec dans certaines de ses usines.

Le recyclage des batteries devient de plus en plus important. Des millions de véhicules électriques arriveront en fin de vie, et leurs batteries devront être gérées. Des entreprises comme Redwood Materials, fondée par JB Straubel, co-fondateur de Tesla, ouvrent la voie. Elles créent des méthodes efficaces de recyclage basées sur des procédés liquides. Ces processus récupèrent des matériaux précieux comme le lithium, le nickel, le cobalt et le cuivre. Ces matériaux peuvent ensuite être réutilisés pour fabriquer de nouvelles batteries. Cela signifie une réduction des nouvelles extractions minières.

Au-delà du recyclage, les applications de seconde vie prolongent l’utilité des batteries. Les vieilles batteries de véhicules électriques peuvent être utilisées pour le stockage sur réseau. Leur capacité réduite convient parfaitement aux utilisations stationnaires. Cela permet d’en tirer davantage de valeur et de retarder le recyclage. Ces idées contribuent à bâtir une économie plus circulaire pour les batteries. Elles répondent aux préoccupations environnementales tout au long de leur cycle de vie.

La voie à suivre : alimenter un avenir plus propre

La course aux meilleures technologies de batteries s’intensifie à l’échelle mondiale. Les chercheurs continuent de repousser les limites du possible. Ils veulent davantage d’énergie, une charge plus rapide et une meilleure sécurité. Ils se concentrent également sur des méthodes écologiques et des coûts réduits. L’objectif : répondre à l’énorme demande mondiale de stockage d’énergie propre.

Les batteries à état solide sont presque prêtes pour le marché. Le sodium-ion entre sur des marchés spécifiques. Le lithium-soufre et le lithium-air sont encore des projets risqués à long terme. Chacun a des avantages uniques pour différentes utilisations. L’avenir ne verra probablement pas un seul type de batterie s’imposer. Au lieu de cela, de nombreuses solutions différentes apparaîtront. Ce mélange répondra à de nombreux besoins.

Les gouvernements et les entreprises privées investissent des milliards. Ils soutiennent la recherche, le développement et la production de davantage de batteries. Cet effort mondial façonnera la prochaine ère du stockage d’énergie. Il changera tout, de nos téléphones aux réseaux électriques entiers. La quête de la batterie parfaite continue. Cette quête alimentera un monde plus vert et électrique.

Redwood Materials, fondée par JB Straubel, co-fondateur de Tesla, exploite l'une des plus grandes installations de recyclage de batteries en Amérique du Nord. Cette installation récupère efficacement des matériaux précieux (lithium, nickel, cobalt) des batteries de véhicules électriques usagées, réduisant considérablement l'impact environnemental de la production de batteries. (Source : canarymedia.com)

FAQ

Q : Quelles sont les principales limites des batteries lithium-ion actuelles ? R : Les batteries lithium-ion actuelles n’offrent pas une autonomie illimitée. Elles soulèvent également des préoccupations en matière de sécurité en raison du liquide inflammable qu’elles contiennent. De plus, elles dépendent de matériaux rares comme le cobalt, ce qui pose des problèmes d’approvisionnement et d’éthique.

Q : Comment les batteries à état solide améliorent-elles les batteries lithium-ion traditionnelles ? R : Les batteries à état solide remplacent l’électrolyte liquide par un matériau solide. Cela les rend beaucoup plus sûres en éliminant l’inflammabilité. Cela leur permet également de stocker davantage d’énergie. Ainsi, vous obtenez davantage de puissance dans un ensemble plus petit et plus léger.

Q : Pourquoi les batteries sodium-ion suscitent-elles de l’intérêt ? R : Les batteries sodium-ion utilisent du sodium, qui est courant et bon marché par rapport au lithium. Cela en fait un choix plus écologique et moins cher. Elles stockent moins d’énergie que les lithium-ion, mais elles conviennent au stockage sur réseau et à d’autres utilisations.

Q : Pourquoi la fabrication d’électrodes à sec est-elle importante ? R : La fabrication d’électrodes à sec élimine les solvants toxiques de la production de batteries. Cela réduit les dommages environnementaux et la consommation d’énergie. C’est un moyen plus propre et plus efficace de fabriquer des composants de batterie.

Les batteries sodium-ion, comme ce prototype, gagnent du terrain en tant qu'alternative plus écologique et moins chère au lithium-ion, qui utilisent du sodium abondant et s'avèrent idéales pour les solutions de stockage sur réseau à grande échelle malgré leur densité énergétique inférieure. (Source : evolving-science.com)

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