Note de la rédaction : L’électrification représente l’avenir d’une planète verte, et la technologie des batteries en est le fondement, tout en étant un facteur clé pour limiter son développement à grande échelle. La technologie dominante actuelle est celle des batteries lithium-ion, qui offrent une bonne densité énergétique et un rendement élevé. Cependant, le lithium est un élément rare, coûteux et disponible en quantité limitée. Parallèlement, avec l’essor des énergies renouvelables, la densité énergétique des batteries lithium-ion devient insuffisante. Comment y remédier ? Mayank Jain a passé en revue certaines technologies de batteries susceptibles d’être utilisées à l’avenir. Cet article a été initialement publié sur Medium sous le titre : « L’avenir de la technologie des batteries ».
La Terre regorge d'énergie, et nous mettons tout en œuvre pour la capter et l'exploiter au mieux. Bien que nous ayons progressé dans la transition vers les énergies renouvelables, nos avancées en matière de stockage de l'énergie restent limitées.
À l'heure actuelle, les batteries lithium-ion représentent la référence en matière de technologie de batteries. Elles offrent la meilleure densité énergétique, un rendement élevé (environ 99 %) et une longue durée de vie.
Quel est donc le problème ? À mesure que la production d'énergie renouvelable continue de croître, la densité énergétique des batteries lithium-ion devient insuffisante.
Puisqu'il est possible de continuer à produire des batteries par lots, cela ne semble pas poser de problème majeur. Cependant, le lithium étant un métal relativement rare, son coût est élevé. Bien que les coûts de production des batteries diminuent, les besoins en stockage d'énergie augmentent également rapidement.
Nous sommes arrivés à un point où, une fois la batterie lithium-ion fabriquée, elle aura un impact considérable sur le secteur de l'énergie.
La densité énergétique supérieure des combustibles fossiles est un fait avéré, et c'est un facteur déterminant qui freine la transition vers une dépendance totale aux énergies renouvelables. Nous avons besoin de batteries capables de produire plus d'énergie que notre poids.
Comment fonctionnent les batteries lithium-ion
Le fonctionnement des batteries au lithium est similaire à celui des piles chimiques AA ou AAA classiques. Elles possèdent une anode et une cathode, séparées par un électrolyte. Contrairement aux piles classiques, la réaction de décharge d'une batterie lithium-ion est réversible, ce qui permet de la recharger à plusieurs reprises.
La cathode (borne positive) est composée de phosphate de fer lithié, l'anode (borne négative) est en graphite, et le graphite est composé de carbone. L'électricité est simplement un flux d'électrons. Ces batteries produisent de l'électricité grâce au déplacement d'ions lithium entre l'anode et la cathode.
Lorsqu'ils sont chargés, les ions se déplacent vers l'anode, et lorsqu'ils sont déchargés, ils se dirigent vers la cathode.
Ce mouvement des ions provoque le mouvement des électrons dans le circuit ; le mouvement des ions lithium et le mouvement des électrons sont donc liés.
batterie à anode de silicium
De nombreux grands constructeurs automobiles, comme BMW, investissent dans le développement de batteries à anode en silicium. À l'instar des batteries lithium-ion classiques, ces batteries utilisent des anodes en lithium, mais au lieu d'anodes à base de carbone, elles utilisent du silicium.
En tant qu'anode, le silicium est supérieur au graphite car il faut quatre atomes de carbone pour fixer le lithium, tandis qu'un seul atome de silicium peut en fixer quatre. Il s'agit d'une amélioration majeure, rendant le silicium trois fois plus résistant que le graphite.
Néanmoins, l'utilisation du lithium présente encore des avantages et des inconvénients. Ce matériau reste coûteux, mais la conversion des installations de production vers les cellules au silicium est plus aisée. Si les batteries sont totalement différentes, l'usine devra être entièrement repensée, ce qui réduira légèrement l'intérêt de cette transition.
Les anodes en silicium sont fabriquées par traitement du sable pour obtenir du silicium pur, mais le principal problème auquel les chercheurs sont actuellement confrontés est le gonflement de ces anodes lors de leur utilisation. Ce phénomène peut entraîner une dégradation prématurée de la batterie. De plus, la production en série d'anodes s'avère complexe.
Batterie au graphène
Le graphène est un type de feuillet de carbone fabriqué à partir du même matériau qu'un crayon, mais la fixation du graphite sur ces feuillets est un processus long et complexe. Le graphène est reconnu pour ses excellentes performances dans de nombreuses applications, notamment les batteries.
Certaines entreprises travaillent sur des batteries au graphène qui peuvent être entièrement chargées en quelques minutes et se décharger 33 fois plus vite que les batteries lithium-ion. Cela représente un atout considérable pour les véhicules électriques.
Batterie en mousse
Actuellement, les piles traditionnelles sont bidimensionnelles. Elles sont soit empilées comme une pile au lithium, soit enroulées comme une pile AA ou lithium-ion classique.
La batterie en mousse est un concept nouveau qui repose sur le déplacement de charges électriques dans l'espace 3D.
Cette structure tridimensionnelle permet d'accélérer la charge et d'augmenter la densité énergétique, deux qualités essentielles pour une batterie. Contrairement à la plupart des autres batteries, les batteries en mousse ne contiennent pas d'électrolyte liquide nocif.
Les batteries en mousse utilisent des électrolytes solides au lieu d'électrolytes liquides. Cet électrolyte conduit non seulement les ions lithium, mais isole également les autres appareils électroniques.
L'anode qui retient la charge négative de la batterie est constituée de cuivre expansé et recouverte du matériau actif requis.
Un électrolyte solide est ensuite appliqué autour de l'anode.
Enfin, une « pâte positive » est utilisée pour combler les interstices à l'intérieur de la batterie.
Batterie à oxyde d'aluminium
Ces batteries possèdent l'une des densités énergétiques les plus élevées du marché. Leur énergie est plus puissante et leur poids inférieur à celui des batteries lithium-ion actuelles. Certains affirment qu'elles pourraient fournir jusqu'à 2 000 kilomètres d'autonomie aux véhicules électriques. Qu'en est-il réellement ? À titre de comparaison, l'autonomie maximale d'une Tesla est d'environ 600 kilomètres.
Le problème de ces batteries est qu'elles ne sont pas rechargeables. Elles produisent de l'hydroxyde d'aluminium et libèrent de l'énergie grâce à la réaction entre l'aluminium et l'oxygène dans un électrolyte aqueux. Leur utilisation consomme de l'aluminium, qui sert d'anode.
Batterie au sodium
Actuellement, des scientifiques japonais travaillent à la fabrication de batteries utilisant du sodium au lieu du lithium.
Cela serait une véritable révolution, car les batteries au sodium sont théoriquement sept fois plus efficaces que les batteries au lithium. Autre avantage considérable : le sodium est le sixième élément le plus abondant sur Terre, contrairement au lithium, qui est un élément rare.
Date de publication : 2 décembre 2019