Batteries: améliorer capacité, poids, composants, vitesse de charge et températures d'utilisation
Publié le 31 Janvier 2022 par Alain Weerens
Ingénieur Civil AIrBr
Collaborateur Industriel, ULB EPB BEAMS
Les batteries Li-ion actuelles souffrent de plusieurs handicaps qui rendent aléatoire leur généralisation comme élément de stockage aussi bien des énergies renouvelables que des véhicules électriques:
- leur capacité est insuffisante
- elles sont lourdes
- elles exigent des matériaux rares et semi-rares (lithium) qui ne suffiront pas à assurer les besoins des 30 prochaines années
- leur recharge est lente et parfois problématique
- leur performance décroit avec le froid.
Plusieurs améliorations, parfois substantielles, sont en développement. Faisons le point de la recherche.
Les batteries Sodium - double ion
Ces batteries, en développement à l'université de Namur (professeur Bao-Lian SU) promettent entres autres de doubler la capacité et d'utiliser du Sodium - bien plus répandu que le Lithium.
Le scientifique vient de mettre au point une batterie au sodium à double ion. Ce qui permet de réduire le problème d’approvisionnement en lithium mais pas seulement : "Grâce à la technologie à doubles ions, on peut à la fois augmenter la vitesse de charge mais aussi la capacité de stockage. Par rapport à une batterie lithium à simple ion, on peut espérer une capacité et une vitesse de charge deux fois plus importante", promet Bao-Lian Su.
Voir ici un excellent article donnant les détails sur le sujet
Les batteries Lithium-ion nouvelle génération
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 la source initiale de lithium et l'électrode négative comme l'hôte du 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 ou phosphates métalliques lithiés sont les matériaux les plus couramment utilisés comme matériaux positifs actuels. Le graphite, mais aussi le graphite/silicium ou les oxydes de titane lithiés sont utilisés comme matériaux négatifs.
Avec des matériaux et des conceptions de cellules réels, la technologie li-ion devrait atteindre une limite d'énergie dans les prochaines années. Néanmoins, les découvertes très récentes de nouvelles familles de matières actives disruptives 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 énergétique. Les performances telles que la charge rapide ou la fenêtre de fonctionnement en température (-50°C à 125°C) peuvent être affinées grâce au large choix de conceptions et de chimies des cellules. De plus, les batteries li-ion présentent des avantages supplémentaires tels qu'une très faible autodécharge et une très longue durée de vie et des performances de cyclage, généralement des milliers de cycles de charge/décharge.
Quand devraient-elles voir le jour ?
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 pour les énergies renouvelables et le transport (marine, chemins de fer, aviation et mobilité hors route) où la haute énergie, la haute puissance et la sécurité sont obligatoires.
Les batteries Lithium-Soufre
Dans une batterie Li-ion, les ions lithium sont intercalés dans les structures hôtes des matières actives lors de la charge et de la décharge. Dans une batterie lithium-soufre (Li-S), il n'y a plus de structure hôte. Lors de la décharge, le lithium de l'anode est consommé, et le soufre est transformé en différents matériaux soufrés et lithiés. Lors de la charge, le processus inverse a lieu.
Quels sont ses avantages ?
Une batterie Li-S contient des matières actives très légères : du soufre pour l'électrode positive et du lithium métallique pour l'électrode négative. C'est pourquoi sa densité d’énergie théorique est extrêmement élevée : elle est en effet quatre fois supérieure à celle d'une batterie li-ion. Elle convient donc parfaitement aux industries aéronautique et spatiale par exemple.
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 pallie les principaux inconvénients du Li-S à base liquide (durée de vie limitée, autodécharge élevée, …).
De plus, cette technologie est complémentaire du lithium-ion à l'état solide grâce à sa densité d'énergie gravimétrique supérieure (+30% en jeu en Wh/kg).
Quand devraient-elles voir le jour ?
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.
Des scientifiques de l'Université du Michigan ont réussi à créer un nouveau type de membrane à partir de Kevlar recyclé qui pourrait aider au développement des batteries lithium-soufre. Ces batteries seraient jusqu'à cinq fois plus performantes que les modèles actuellement utilisés par l'industrie automobile.
Cette toute nouvelle membrane de batterie a permis de mettre au point une batterie lithium-soufre capable de fonctionner pendant plus de mille cycles, sans perte de performance. Pour l'anecdote, ce Kevlar recyclé est semblable à celui utilisé dans les gilets pare-balles.
Depuis plusieurs années, il est acquis que des batteries lithium-soufre pourraient servir d'alternatives aux modèles lithium-ion, mais il était encore trop tôt pour déterminer le potentiel de ces technologies. Cette nouvelle avancée pourrait changer la donne, car elle leur offre une durée de vie encore jamais atteinte. Cette membrane se révèle en outre résistante aux températures extrêmes. On considère généralement que 1 000 cycles de recharge correspondent à un usage de dix ans.
Dernière découverte: une batterie Li-S presque inusable?
Les batteries tout-solide
Une batterie tout-solide est un véritable changement de paradigme en matière de technologie. Dans les batteries Li-ion actuelles, les ions se déplacent d'une électrode à l'autre par le biais de l'électrolyte liquide. Dans une batterie tout-solide, l'électrolyte liquide est remplacé par un composé inorganique solide qui permet la diffusion des ions lithium. Ce concept est loin d'être nouveau, mais au cours des dix dernières années, de nouvelles familles d'électrolytes solides présentant une forte conductivité ionique, proche de celle des électrolytes liquides, ont été découvertes, ce qui a permis de lever un verrou technologique important.
Aujourd'hui, les efforts de Recherche & Développement de Saft se concentrent sur 2 grands types de matériaux : les polymères et les composés inorganiques, visant la synergie des propriétés physico-chimiques telles que l'aptitude au traitement, la stabilité, la conductivité…
Quels sont ses avantages ?
Le premier grand avantage est une nette amélioration de la sécurité au niveau des piles et des batteries : contrairement à leurs homologues liquides, les électrolytes solides sont ininflammables lorsqu'ils sont chauffés. Deuxièmement, elles permettent l'utilisation de matériaux innovants haute tension et haute capacité, pour des batteries plus denses et plus légères avec une meilleure durée de vie en raison d'une autodécharge réduite. De plus, au niveau du système, elles apporteront des avantages supplémentaires tels qu'une mécanique simplifiée ainsi qu'une meilleure gestion thermique et une sécurité renforcée.
Comme ces batteries présentent un rapport puissance/poids élevé, elles sont idéales pour une utilisation dans les véhicules électriques.
Quand devraient-elles voir le jour ?
Plusieurs technologies de batterie tout-solide devraient apparaître au fil des avancées technologiques. La première génération pourrait être constituée tout d'abord de batteries comportant des anodes en graphite, offrant de meilleures performances énergétiques et une sécurité accrue. Plus tard, des batteries tout-solide plus légères, avec une anode en lithium métallique, pourraient être commercialisées.
Le concurrent CO2 du Lithium-ion
Le CO2 (dioxyde de carbone) joue encore un autre rôle dans la recherche de meilleures piles et batteries. Notamment dans la recherche d’une capacité de batterie supérieure pour un poids inférieur. Le lithium-ion sera bientôt confronté à une forte concurrence. En effet, (par exemple) la combinaison du lithium et du CO2 conserve jusqu’à sept fois plus d’énergie que le lithium-ion aujourd’hui. Le problème est toutefois que ce CO2 est emprisonné dans la batterie, ce qui réduit sa capacité avec le temps. Un problème auquel les chercheurs de l’Université de l’Illinois se sont attelés. Dans ce cadre, le disulfure de molybdène (MoS2) a permis de créer une batterie lithium CO2.
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