Trois technologies de batterie qui pourraient révolutionner notre futur

Le monde a besoin de plus d'énergies, de préférence propres et renouvelables. Pour l'heure, nos stratégies de stockage d’énergie sont dépendantes des batteries lithium-ion, qui sont à la pointe de cette technologie. Mais quelles nouveautés se profilent pour les années à venir ?

Commençons par les rudiments de la batterie. Une batterie comporte un ou plusieurs éléments, chacun doté d'une électrode positive (la cathode), d'une électrode négative (l'anode), d'un séparateur et d'un électrolyte. Selon les composants chimiques et les matières utilisées pour ces éléments, les propriétés de la batterie seront différentes et auront un impact sur la quantité d'énergie stockée et délivrée, la puissance fournie ainsi que sur le nombre de cycles de charges et de décharges réalisés (appelé cyclabilité).

Les fabricants de batteries recherchent constamment des systèmes électrochimiques plus économiques, plus denses, plus légers et plus puissants. Nous avons rencontré Patrick Bernard, Directeur de la recherche chez Saft, qui nous a présenté trois nouvelles technologies de batterie à fort enjeu.
 

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 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.

BATTERIES LITHIUM-SOUFRE

Qu'est-ce que c'est ?

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.

BATTERIES TOUT-SOLIDE

Qu'est-ce que c'est ?

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.