Le monde a besoin de plus d’énergie, de préférence sous une forme propre et renouvelable. Nos stratégies de stockage de l’énergie sont actuellement façonnées par les batteries lithium-ion – à la pointe de cette technologie – mais à quoi pouvons-nous nous attendre dans les années à venir ?
Commençons par quelques notions de base sur les batteries. Une batterie est un ensemble d’une ou plusieurs cellules, dont chacune possède une électrode positive (la cathode), une électrode négative (l’anode), un séparateur et un électrolyte. L’utilisation de différents produits chimiques et matériaux pour ces éléments influe sur les propriétés de la batterie – la quantité d’énergie qu’elle peut stocker et produire, la puissance qu’elle peut fournir ou le nombre de fois qu’elle peut être déchargée et rechargée (également appelé capacité de cyclage).
Les fabricants de batteries expérimentent constamment pour trouver des produits chimiques moins chers, plus denses, plus légers et plus puissants. Nous nous sommes entretenus avec Patrick Bernard, directeur de recherche chez Saft, qui nous a expliqué trois nouvelles technologies de batteries au potentiel transformateur.

BATTERIES LITHIUM-ION DE NOUVELLE GÉNÉRATION

Qu’est-ce que c’est ?

Dans les batteries lithium-ion (li-ion), le stockage et la libération d’énergie sont assurés par le mouvement de va-et-vient des ions lithium de l’électrode positive à l’électrode négative via l’électrolyte. Dans cette technologie, l’électrode positive agit comme la source initiale de lithium et l’électrode négative comme l’hôte du lithium. Plusieurs chimies sont réunies sous le nom de batteries li-ion, résultat de décennies de sélection et d’optimisation proche de la perfection des matériaux actifs positifs et négatifs. Les oxydes ou phosphates métalliques lithiés sont les matériaux les plus couramment utilisés comme matériaux positifs actuels. Le graphite, mais aussi le graphite
Avec les matériaux actuels et la conception des cellules, la technologie li-ion devrait atteindre une limite énergétique dans les prochaines années. Néanmoins, les découvertes très récentes de nouvelles familles de matériaux actifs perturbateurs devraient débloquer les limites actuelles. Ces composés innovants peuvent stocker davantage de lithium dans les électrodes positives et négatives et permettront pour la première fois de combiner énergie et puissance. De plus, avec ces nouveaux composés, la rareté et la criticité des matières premières sont également prises en compte.

Quels sont ses avantages ?

Aujourd’hui, parmi toutes les technologies de stockage de pointe, la technologie des batteries li-ion offre le plus haut niveau de densité énergétique. Les performances telles que la charge rapide ou la fenêtre de température de fonctionnement (-50°C à 125°C) peuvent être affinées par le large choix de conception et de composition chimique des cellules. En outre, les batteries li-ion présentent des avantages supplémentaires tels qu’une autodécharge très faible et des performances de durée de vie et de cyclage très longues, généralement des milliers de charges.

Quand pouvons-nous l’attendre ?

La nouvelle génération de batteries li-ion avancées devrait être déployée avant la première génération de batteries à l’état solide.  ;
Ils seront idéaux pour des applications telles que les systèmes de stockage de l’énergie pour les énergies renouvelables et les transports (marine, chemins de fer, aviation et mobilité hors route) où une énergie élevée, une puissance élevée et la sécurité sont obligatoires.

BATTERIES AU LITHIUM-SOUFRE

Dans les batteries li-ion, les ions de lithium sont stockés dans des matériaux actifs agissant comme des structures hôtes stables pendant la charge et la décharge. Dans les batteries au lithium-soufre (Li-S), il n’y a pas de structures hôtes. Lors de la décharge, l’anode de lithium est consommée et le soufre transformé en divers composés chimiques ; lors de la charge, le processus inverse se produit.
Une batterie Li-S utilise des matériaux actifs très légers : du soufre dans l’électrode positive et du lithium métallique comme électrode négative. C’est pourquoi sa densité d’énergie théorique est extraordinairement élevée : quatre fois supérieure à celle du lithium-ion. Cela en fait un bon choix pour l’industrie aéronautique et spatiale.
Saft a sélectionné et favorisé la technologie Li-S la plus prometteuse basée sur un électrolyte solide. Cette voie technique apporte une densité d’énergie très élevée, une longue durée de vie et permet de surmonter les principaux inconvénients du Li-S liquide (durée de vie limitée, autodécharge élevée, …).
Saft a sélectionné et favorisé la technologie Li-S la plus prometteuse basée sur un électrolyte solide. Cette voie technique apporte une densité d’énergie très élevée, une longue durée de vie et permet de surmonter les principaux inconvénients du Li-S liquide (durée de vie limitée, autodécharge élevée, …).
Les principaux obstacles technologiques ont déjà été surmontés et le niveau de maturité progresse très rapidement vers des prototypes à pleine échelle.
Pour les applications nécessitant une longue durée de vie des batteries, cette technologie devrait arriver sur le marché juste après le lithium-ion solide.

BATTERIES À L’ÉTAT SOLIDE

Les batteries à l’état solide représentent un changement de paradigme en termes de technologie. Dans les batteries li-ion modernes, les ions se déplacent d’une électrode à l’autre à travers l’électrolyte liquide (également appelé conductivité ionique). Dans les batteries entièrement solides, l’électrolyte liquide est remplacé par un composé solide qui permet néanmoins aux ions de lithium de migrer en son sein. Ce concept est loin d’être nouveau, mais au cours des dix dernières années – grâce à des recherches intensives menées dans le monde entier – de nouvelles familles d’électrolytes solides ont été découvertes avec une conductivité ionique très élevée, similaire à celle de l’électrolyte liquide, ce qui permet de surmonter cette barrière technologique particulière.
Aujourd’hui, les efforts de recherche et développement de Saft se concentrent sur 2 types de matériaux principaux : les polymères et les composés inorganiques, visant la synergie des propriétés physico-chimiques telles que la facilité de traitement, la stabilité, la conductivité …
Le premier avantage considérable est une amélioration sensible de la sécurité au niveau des cellules et des batteries : les électrolytes solides sont ininflammables lorsqu’ils sont chauffés, contrairement à leurs homologues liquides. Deuxièmement, il permet l’utilisation de matériaux innovants à haute tension et haute capacité, ce qui permet d’obtenir des batteries plus denses et plus légères, avec une meilleure durée de vie grâce à une autodécharge réduite. Enfin, au niveau du système, elle apportera des avantages supplémentaires tels que la simplification de la mécanique ainsi que de la gestion thermique et de la sécurité.
Comme les batteries peuvent présenter un rapport puissance/poids élevé, elles peuvent être idéales pour être utilisées dans des véhicules électriques.
Plusieurs types de batteries entièrement solides sont susceptibles d’arriver sur le marché au fur et à mesure des progrès technologiques. Les premières seront des batteries à l’état solide avec des anodes à base de graphite, ce qui améliorera les performances énergétiques et la sécurité. À terme, des technologies de batteries solides plus légères utilisant une anode en lithium métallique devraient être commercialisées.