Le monde a besoin de plus d'électricité, de préférence sous une forme propre et renouvelable.Nos stratégies de stockage d'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 la batterie.Une batterie est un pack d'une ou plusieurs cellules, chacune ayant une électrode positive (la cathode), une électrode négative (l'anode), un séparateur et un électrolyte.L'utilisation de différents produits chimiques et matériaux pour ceux-ci affecte les propriétés de la batterie - la quantité d'énergie qu'elle peut stocker et produire, la quantité d'énergie qu'elle peut fournir ou le nombre de fois qu'elle peut être déchargée et rechargée (également appelée capacité de cyclage).
Les fabricants de batteries expérimentent constamment pour trouver des produits chimiques moins chers, plus denses, plus légers et plus puissants.Entretien avec Patrick Bernard, directeur de la recherche Saft, qui nous a expliqué trois nouvelles technologies de batteries au potentiel de transformation.
BATTERIES LITHIUM-ION 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 des ions lithium de l'électrode positive à l'électrode négative dans les deux sens via l'électrolyte.Dans cette technologie, l'électrode positive agit comme source initiale de lithium et l'électrode négative comme hôte pour le lithium.Plusieurs chimies sont regroupées sous le nom de batteries li-ion, fruit de décennies de sélection et d'optimisation proche de la perfection des matières actives positives et négatives.Les oxydes métalliques lithiés ou les phosphates sont les matériaux les plus couramment utilisés comme matériaux présents positifs.Le graphite, mais aussi le graphite/silicium ou les oxydes de titane lithiés sont utilisés comme matériaux négatifs.
Avec les matériaux et les conceptions de cellules actuels, la technologie Li-ion devrait atteindre une limite d'énergie dans les années à venir.Néanmoins, les découvertes très récentes de nouvelles familles de matériaux actifs disruptifs devraient débloquer les limites actuelles.Ces composés innovants peuvent stocker plus 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 permet le plus haut niveau de densité d'énergie.Les performances telles que la charge rapide ou la fenêtre de température de fonctionnement (-50°C à 125°C) peuvent être ajustées grâce au large choix de conception et de chimie des cellules.De plus, les batteries li-ion présentent des avantages supplémentaires tels qu'une très faible autodécharge et des performances de durée de vie et de cyclage très longues, typiquement des milliers de cycles de charge/décharge.
Quand peut-on s'y attendre ?
La nouvelle génération de batteries li-ion avancées devrait être déployée avant la première génération de batteries à semi-conducteurs.Ils seront idéaux pour une utilisation dans des applications telles que les systèmes de stockage d'énergie pourénergies renouvelableset transport (Marin, les chemins de fer,aviationet mobilité hors route) où haute énergie, haute puissance et sécurité sont obligatoires.
BATTERIES AU LITHIUM-SOUFRE
Qu'est-ce que c'est?
Dans les batteries li-ion, les ions 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 une variété de composés chimiques ;pendant la charge, le processus inverse a lieu.
Quels sont ses avantages ?
Une batterie Li-S utilise des matériaux actifs très légers : du soufre en électrode positive et du lithium métallique en 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 les industries aéronautique et spatiale.
Saft a sélectionné et privilégié la technologie Li-S la plus prometteuse à base d'électrolyte à l'état solide.Cette voie technique apporte une densité d'énergie très élevée, une longue durée de vie et surmonte les principaux inconvénients du Li-S à base liquide (durée de vie limitée, forte autodécharge, …).
De plus, cette technologie est complémentaire au lithium-ion à l'état solide grâce à sa densité d'énergie gravimétrique supérieure (+30% mis en jeu en Wh/kg).
Quand peut-on s'y attendre ?
Des barrières technologiques majeures ont déjà été surmontées et le niveau de maturité progresse très rapidement vers des prototypes grandeur nature.
Pour les applications nécessitant une longue durée de vie de la batterie, cette technologie devrait arriver sur le marché juste après le lithium-ion à l'état solide.
BATTERIES À L'ÉTAT SOLIDE
Qu'est-ce que c'est?
Les batteries à semi-conducteurs 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 appelée conductivité ionique).Dans les batteries tout solide, l'électrolyte liquide est remplacé par un composé solide qui permet néanmoins aux ions lithium de migrer en son sein.Ce concept est loin d'être nouveau, mais au cours des 10 dernières années - grâce à une recherche mondiale intensive - de nouvelles familles d'électrolytes solides ont été découvertes avec une conductivité ionique très élevée, similaire à l'électrolyte liquide, permettant de franchir cette barrière technologique particulière.
Aujourd'hui,SaftLes efforts de Recherche & Développement se concentrent sur 2 principaux types de matériaux : les polymères et les composés inorganiques, visant la synergie des propriétés physico-chimiques telles que la processabilité, la stabilité, la conductivité…
Quels sont ses avantages ?
Le premier énorme avantage est une nette amélioration 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, permettant des batteries plus denses et plus légères avec une meilleure durée de vie grâce à une autodécharge réduite.De plus, au niveau du système, il apportera des avantages supplémentaires tels qu'une mécanique simplifiée ainsi qu'une gestion thermique et de la sécurité.
Comme les batteries peuvent présenter un rapport puissance/poids élevé, elles peuvent être idéales pour une utilisation dans les véhicules électriques.
Quand peut-on s'y attendre ?
Plusieurs types de batteries entièrement à l'état solide sont susceptibles d'arriver sur le marché à mesure que les progrès technologiques se poursuivent.Les premières seront des batteries à l'état solide avec des anodes à base de graphite, apportant des performances énergétiques et une sécurité améliorées.À terme, des technologies de batteries à semi-conducteurs plus légères utilisant une anode métallique au lithium devraient devenir disponibles dans le commerce.
Heure de publication : 03 août 2022