Et si les batteries au lithium-ion refaisaient le monde.

Notre monde mobile serait impossible sans elles, mais la technologie est imparfaite et la technologie de la batterie doit être améliorée.

Le smartphone que vous tenez dans votre main est plus puissant que l’ensemble du réseau informatique de la NASA utilisé pour mettre un humain sur la lune en 1969, il y a cinquante ans de cela. Il offre une connectivité instantanée et ultra-rapide au plus grand réseau de communication de masse jamais créé et peut le faire à partir de presque partout dans le monde. Et pourtant, tout cela serait inutile si il n’était pas alimentée par un autre miracle technologique : sa batterie puissante, rechargeable et à longue durée de vie.

La première batterie rechargeable au plomb-acide a été développée en 1859 par le physicien français Gaston Planté. En 1980, John Goodenough, alors chercheur à l’Université d’Oxford, a mis au point la cathode d’oxyde de cobalt et de lithium, qui a été commercialisée par Sony et utilisée pour les batteries de téléphones portables en 1991 En octobre, il a reçu un prix Nobel pour ce travail, avec ses collègues chimistes Stanley Whittingham et Akira Yoshino.

Principe de fonctionnement de la batterie lithium-ion

Les batteries lithium-ion fonctionnent en combinant une cathode d’oxyde de lithium (l’électrode positive), une anode (l’électrode négative) et un électrolyte (le séparateur) utilisé comme conducteur. Lorsque la batterie est chargée et déchargée, les ions se déplacent entre les électrodes et créent de l’énergie que la batterie peut alors utiliser.

Cinq sociétés seulement au Japon, en Chine et en Corée du Sud produisent 62 % des batteries lithium-ion dans le monde. La demande s’est considérablement accrue depuis 2015, année où la Chine a commencé à pousser agressivement la production de véhicules électriques domestiques en plus de la croissance continue des ventes mondiales de téléphones intelligents, de tablettes et d’ordinateurs portables.

La Chine : principal fabricant de batteries électriques

La Chine fabrique maintenant 60 % des véhicules électriques dans le monde et tente d’obtenir le contrôle du lithium, un minéral naturel abondant que l’on trouve dans l’eau salée et qui est produit principalement en Bolivie, au Chili et en Argentine.

L’an dernier, la société chinoise Tianqi Lithium a payé 4 milliards de dollars pour une participation dans la société minière chilienne Sociedad Química y Minera, ce qui lui a permis de contrôler la moitié de la production mondiale de lithium. L’industrie sur laquelle Tianqi se concentre, le marché des batteries lithium-ion, devrait passer de 33 milliards de dollars en 2018 à plus de 73 milliards de dollars en 2024.

Mais des inconvénients de la batterie lithium-ion

Pourtant, malgré l’augmentation rapide de la demande, les batteries lithium-ion présentent des inconvénients majeurs, avec un historique de problèmes de sécurité et un bilan environnemental accablant.

Le lithium-ion est un matériau intrinsèquement instable qui peut exploser lorsqu’il est endommagé ou exposé à une chaleur élevée. Les batteries ont causé environ 200 incendies et explosions entre 2009 et 2017, y compris les problèmes très médiatisés du téléphone intelligent Samsung Galaxy Note 7 en 2016.

Une fabrication exigeante en ressources naturelles

La production de lithium est chimiquement intensive et, en Amérique du Sud, qui produit la majorité du lithium dans le monde, l’extraction dans les salines utilise de grandes quantités d’eau dans une des régions les plus arides du monde. L’extraction du cobalt, un autre minerai nécessaire à la production de batteries et que l’on trouve presque exclusivement en République démocratique du Congo, est truffée de pratiques peu sûres, notamment le travail des enfants.

De plus, les batteries lithium-ion sont actuellement trop chères à recycler, ce qui signifie qu’elles finissent souvent dans des décharges. Nous déversons environ deux milliards de batteries lithium-ion chaque année, bien que des projets en Suède et au Japon commencent à recycler les batteries de voitures électriques, qui peuvent encore contenir 70% de leur charge même après plusieurs années d’utilisation.

« Nous parlons de véhicules électriques qui préservent l’environnement, mais les batteries ne sont pas si bonnes quand il s’agit de recycler ou d’éliminer les composants eux-mêmes nous dit la titulaire de la chaire sur les nanomatériaux fonctionnels de l’Université de Sheffield en Grande-Bretagne. « Mes recherches indiquent qu’il est nécessaire de développer des infrastructures de recyclage alors que nous recherchons de nouvelles chimies de batteries. Nous allons de l’avant avec le développement de nouvelles batteries. Nous ne développons pas vraiment la réutilisation et le recyclage en même temps, ce qui doit aller de pair. »

La difficulté de recycler les batteries lithium-ion

Certains chercheurs et technologues tentent de relever ces défis, tandis que d’autres s’efforcent de trouver une solution de rechange au lithium-ion, un processus de développement douloureusement lent. L’ammoniac, le magnésium et le sodium sont tous en cours de développement à l’heure actuelle et ont tous leurs inconvénients, y compris la faible rétention d’énergie et la volatilité des matériaux. Idéalement, la batterie du futur devrait utiliser des matériaux stables à l’état solide pour éviter les risques d’incendie ou d’explosion.

Deux technologies de batteries clés semblent prometteuses pour l’industrie des véhicules électriques au cours de la prochaine décennie « dont celle à anodes à dominance silicium, un matériau actif qui peut stocker le lithium et qui a une conductivité électrique élevée.

Un autre développement majeur serait la réduction ou l’élimination du cobalt, qui représente actuellement environ 20 % du coût des matériaux utilisés dans une batterie lithium-ion typique. Le prix du cobalt est passé de 20 000 $ la tonne métrique en 2016 à environ 80 000 $ aujourd’hui. L’élimination du cobalt est essentielle pour réduire le coût des batteries lithium-ion. Panasonic et Tesla ont déclaré qu’ils s’efforcent d’éliminer le cobalt de leurs batteries.

Les technologies de cathodes à faible teneur en cobalt ou sans cobalt peuvent aider à continuer de réduire le coût des batteries de véhicule électrique pour des véhicules électriques plus abordables et une adoption plus rapide, car les cathodes continuent d’être le composant le plus coûteux dans une pile lithium-ion aujourd’hui. Les technologies d’anode à dominance silicium peuvent offrir des capacités de charge très rapides ainsi que des densités d’énergie élevées et des avantages de sécurité.

De nouvelles technologies émergent pour les batteries du futur

Des équipes de recherche ont exploré avec succès l’utilisation d’électrodes d’oxyde de magnésium, de chrome et de nanofils d’or pour remplacer le cobalt à partir duquel les cathodes sont généralement fabriquées, ainsi que des piles « rechargeables » qui peuvent être rechargées en électrolyte. Une station d’énergie routière de l’avenir pourrait peut-être remplir votre véhicule électrique avec de l’électrolyte neuf au besoin, éliminant ainsi l’anxiété liée à l’autonomie qui est actuellement un problème majeur pour les véhicules à batterie lithium-ion d’aujourd’hui.

La mousse de cuivre pourrait remplacer le lithium-ion d’ici cinq ans. Ces batteries ont une anode plus grande, ce qui signifie qu’elles peuvent être chargées très rapidement, ce qui est bien sûr ce que veulent les consommateurs.

Plusieurs centres de recherche mettent au point des batteries à semi-conducteurs qui fonctionnent en remplaçant le séparateur d’électrolyte liquide par un matériau solide. Une gamme de matériaux possibles est à l’étude, notamment de nouveaux matériaux cristallins, le LTPS, un conducteur superionique d’hydrure de lithium et un électrolyte céramique.

Des batteries du future plus fiables

L’utilisation de matériaux solides pourrait produire une batterie de plus grande capacité avec moins de risque d’incendie ou d’explosion. Des laboratoires ont également créé un nouveau prototype de batterie appelé « all-solid-state ». Cette batterie a le potentiel d’être plus efficace que le lithium-ion, d’avoir de plus grandes capacités et d’offrir un haut niveau de sécurité.

Même si les premiers essais de systèmes de batteries à semi-conducteurs sont en cours, la technologie à semi-conducteurs présente actuellement des inconvénients en termes de technologie et de prix. Les batteries à semi-conducteurs arriveront sur le marché vers 2030, bien que les batteries lithium-ion resteront la meilleure option pendant au moins les 10 prochaines années. Bien que le développement de la technologie lithium-ion ne soit pas un processus révolutionnaire, il s’améliore progressivement de 2% à 5% par an.

A plus long terme, certains technologues ont une vision très différente de l’avenir de l’alimentation par batterie. Ainsi, la recharge par induction interne ou sans fil, via un socle dans votre garage, votre rue ou votre parking, devrait devenir une pratique courante. Pour l’instant, la recharge sans fil n’est pas vraiment mieux que la recharge avec un câble. Si vous pouvez perfectionner une charge sans fil fiable par rapport à un compteur, par exemple, alors la technologie de la batterie elle-même devient beaucoup moins importante. Votre appareil s’alimente continuellement sur la charge.

Certains dans l’industrie de l’énergie prédisent que le stockage de l’énergie domestique, tel que le Powerwall de Tesla, deviendra la norme. Les unités contiennent des batteries rechargeables au lithium-ion qui peuvent stocker 13,5 kWh d’électricité, assez pour alimenter une maison de taille moyenne pendant une journée. La demande devrait augmenter à mesure que de plus en plus de maisons seront équipées de panneaux solaires et d’éoliennes et devront stocker cette énergie.

Au fur et à mesure que notre dépendance à tous ces types de batteries augmentera, l’incitation commerciale à explorer des solutions nouvelles, plus fiables et plus efficaces augmentera également. Ce le nécessite des experts en chimie, en physique, en ingénierie et en science des matériaux et que ces experts travaillent ensemble. Il est vital d’avoir une vague de collaboration pour relever les défis du développement de nouvelles technologies de batteries.