Le monde a besoin de plus d’énergie, 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 que pouvons-nous espérer dans les années à venir ?
Commençons par quelques notions de base sur la batterie.Une batterie est un pack d'une ou plusieurs cellules comportant chacune une électrode positive (la cathode), une électrode négative (l'anode), un séparateur et un électrolyte.L’utilisation de différents produits chimiques et matériaux 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.Nous avons discuté avec Patrick Bernard – Directeur de 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 d'avant en arrière via l'électrolyte.Dans cette technologie, l’électrode positive agit comme source initiale de lithium et l’électrode négative comme hôte du lithium.Plusieurs chimies sont rassemblées sous le nom de batteries li-ion, résultat de décennies de sélection et d'optimisation proche de la perfection de matériaux actifs positifs et négatifs.Les oxydes ou phosphates de métaux 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 les matériaux et la conception des cellules actuels, la technologie Li-ion devrait atteindre une limite énergétique dans les années à venir.Néanmoins, les découvertes très récentes de nouvelles familles de matériaux actifs disruptifs devraient permettre de lever les limites actuelles.Ces composés innovants pourront stocker davantage de lithium dans des 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 jusqu'à 125°C) peuvent être affinées grâce au large choix de conceptions de cellules et de compositions chimiques.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 peut-on s’y attendre ?
Une 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 le transport (Marin, les chemins de fer,aviationet mobilité hors route) où une énergie élevée, une puissance élevée et la sécurité sont obligatoires.
BATTERIES 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 lithium-soufre (Li-S), il n’y a pas de structure hôte.Lors de la décharge, l'anode de lithium est consommée et le soufre est transformé en divers 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 dans l’électrode positive et du lithium métallique comme électrode négative.C’est pourquoi sa densité énergétique 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 basée sur l'électrolyte solide.Cette voie technique apporte une très haute densité énergétique, 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 au lithium-ion solide grâce à sa densité d'énergie gravimétrique supérieure (+30% 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 à grande échelle.
Pour les applications nécessitant une longue durée de vie de la batterie, cette technologie devrait arriver sur le marché juste après le lithium-ion solide.
BATTERIES SOLIDES
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 depuis 10 ans – grâce à des recherches intensives à l’échelle mondiale – de nouvelles familles d’électrolytes solides ont été découvertes avec une conductivité ionique très élevée, similaire à l’électrolyte liquide, permettant de surmonter cette barrière technologique particulière.
Aujourd'hui,SaftLes efforts de Recherche & Développement se concentrent sur 2 grands types de matériaux : les polymères et les composés inorganiques, en visant la synergie des propriétés physico-chimiques telles que la transformabilité, 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, haute tension et haute capacité, permettant d’obtenir des batteries plus denses et plus légères avec une meilleure durée de conservation 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 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 solides seront probablement commercialisées à mesure que les progrès technologiques se poursuivront.Le premier sera constitué de batteries à semi-conducteurs dotées d'anodes à base de graphite, apportant des performances énergétiques et une sécurité améliorées.Avec le temps, des technologies de batteries à semi-conducteurs plus légères utilisant une anode au lithium métallique devraient devenir disponibles dans le commerce.
Heure de publication : 03 août 2022