Note de l'éditeur : la technologie électrique est l'avenir de la terre verte, et la technologie des batteries est le fondement de la technologie électrique et la clé pour limiter le développement à grande échelle de la technologie électrique. La technologie de batterie actuelle est constituée de batteries lithium-ion, qui ont une bonne densité énergétique et un rendement élevé. Cependant, le lithium est un élément rare, dont le coût est élevé et les ressources limitées. Parallèlement, à mesure que le recours aux sources d’énergie renouvelables se développe, la densité énergétique des batteries lithium-ion n’est plus suffisante. comment répondre ? Mayank Jain a fait le point sur certaines technologies de batteries qui pourraient être utilisées à l'avenir. L'article original a été publié sur support avec le titre : L'avenir de la technologie des batteries.
La Terre regorge d’énergie et nous faisons tout notre possible pour capter et faire bon usage de cette énergie. Même si nous avons fait un meilleur travail dans la transition vers les énergies renouvelables, nous n’avons pas fait beaucoup de progrès dans le stockage de l’énergie.
À l’heure actuelle, le standard le plus élevé en matière de technologie de batterie est celui des batteries lithium-ion. Cette batterie semble avoir la meilleure densité énergétique, un rendement élevé (environ 99 %) et une longue durée de vie.
Alors, qu'est-ce qui ne va pas ? Alors que l’énergie renouvelable que nous captons continue de croître, la densité énergétique des batteries lithium-ion n’est plus suffisante.
Puisque nous pouvons continuer à produire des batteries par lots, cela ne semble pas être un problème, mais le problème est que le lithium est un métal relativement rare, son coût n'est donc pas faible. Même si les coûts de production des batteries diminuent, les besoins en stockage d’énergie augmentent également rapidement.
Nous avons atteint un point où une fois la batterie lithium-ion fabriquée, elle aura un impact énorme sur l’industrie énergétique.
La densité énergétique plus élevée des combustibles fossiles est un fait, et constitue un facteur d’influence considérable qui entrave la transition vers une dépendance totale aux énergies renouvelables. Nous avons besoin de batteries qui émettent plus d’énergie que notre poids.
Comment fonctionnent les batteries lithium-ion
Le mécanisme de fonctionnement des piles au lithium est similaire à celui des piles chimiques ordinaires AA ou AAA. Ils ont des bornes anodiques et cathodiques, et un électrolyte entre les deux. Contrairement aux batteries ordinaires, la réaction de décharge d’une batterie lithium-ion est réversible, de sorte que la batterie peut être rechargée à plusieurs reprises.
La cathode (+ borne) est en lithium fer phosphate, l'anode (-terminale) est en graphite et le graphite est en carbone. L'électricité n'est qu'un flux d'électrons. Ces batteries génèrent de l'électricité en déplaçant les ions lithium entre l'anode et la cathode.
Lorsqu'ils sont chargés, les ions se déplacent vers l'anode et lorsqu'ils sont déchargés, les ions se dirigent vers la cathode.
Ce mouvement des ions provoque le mouvement des électrons dans le circuit, donc le mouvement des ions lithium et le mouvement des électrons sont liés.
Batterie à anode en silicium
De nombreux grands constructeurs automobiles comme BMW ont investi dans le développement de batteries à anodes en silicium. Comme les batteries lithium-ion ordinaires, ces batteries utilisent des anodes au lithium, mais au lieu d'anodes à base de carbone, elles utilisent du silicium.
En tant qu'anode, le silicium est meilleur que le graphite car il nécessite 4 atomes de carbone pour contenir le lithium, et 1 atome de silicium peut contenir 4 ions lithium. Il s’agit d’une amélioration majeure… rendant le silicium 3 fois plus résistant que le graphite.
Néanmoins, l’utilisation du lithium reste une arme à double tranchant. Ce matériau reste coûteux, mais il est également plus facile de transférer les installations de production vers des cellules en silicium. Si les batteries sont complètement différentes, l'usine devra être complètement repensée, ce qui réduira légèrement l'attrait de la commutation.
Les anodes en silicium sont fabriquées en traitant du sable pour produire du silicium pur, mais le plus gros problème auquel les chercheurs sont actuellement confrontés est que les anodes en silicium gonflent lorsqu'elles sont utilisées. Cela peut entraîner une dégradation trop rapide de la batterie. Il est également difficile de produire des anodes en masse.
Batterie graphène
Le graphène est un type de flocons de carbone qui utilise le même matériau qu'un crayon, mais il faut beaucoup de temps pour fixer le graphite aux flocons. Le graphène est loué pour ses excellentes performances dans de nombreux cas d’utilisation, et les batteries en font partie.
Certaines entreprises travaillent sur des batteries au graphène qui peuvent être complètement chargées en quelques minutes et se décharger 33 fois plus rapidement que les batteries lithium-ion. Ceci est d’une grande valeur pour les véhicules électriques.
Batterie en mousse
Actuellement, les batteries traditionnelles sont bidimensionnelles. Ils sont soit empilés comme une pile au lithium, soit enroulés comme une pile AA ou lithium-ion typique.
La batterie en mousse est un nouveau concept qui implique le mouvement d’une charge électrique dans un espace 3D.
Cette structure tridimensionnelle peut accélérer le temps de charge et augmenter la densité énergétique, ce sont des qualités extrêmement importantes de la batterie. Comparées à la plupart des autres batteries, les batteries à mousse ne contiennent pas d’électrolytes liquides nocifs.
Les batteries à mousse utilisent des électrolytes solides au lieu d'électrolytes liquides. Cet électrolyte conduit non seulement les ions lithium, mais isole également d'autres appareils électroniques.
L'anode qui retient la charge négative de la batterie est en mousse de cuivre 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 vides à l’intérieur de la batterie.
Batterie à l'oxyde d'aluminium
Ces batteries ont l’une des plus grandes densités d’énergie de toutes les batteries. Son énergie est plus puissante et plus légère que les batteries lithium-ion actuelles. Certains prétendent que ces batteries peuvent alimenter 2 000 kilomètres de véhicules électriques. Quelle est cette notion ? Pour référence, l’autonomie de croisière maximale de Tesla est d’environ 600 kilomètres.
Le problème de ces batteries est qu’elles ne peuvent pas être chargées. Ils produisent de l'hydroxyde d'aluminium et libèrent de l'énergie grâce à la réaction de l'aluminium et de l'oxygène dans un électrolyte à base d'eau. L'utilisation de piles consomme de l'aluminium comme anode.
Batterie au sodium
Actuellement, des scientifiques japonais travaillent à la fabrication de batteries utilisant du sodium au lieu du lithium.
Cela serait perturbateur, car les batteries au sodium sont théoriquement 7 fois plus efficaces que les batteries au lithium. Un autre avantage considérable est que le sodium est le sixième élément le plus riche des réserves terrestres, comparé au lithium, qui est un élément rare.
Heure de publication : 02 décembre 2019