Les Batteries de Demain – Comment Ces 9 Innovations Vont Transformer l’Électromobilité ?

Malgré les limites que les fabricants de batteries lithium-ion surmontent progressivement, bien que lentement, l’électromobilité gagne en popularité, et il est difficile d’imaginer inverser cette tendance. De plus, nous avons maintenant besoin de cellules efficaces et abordables non seulement dans les véhicules électriques et les scooters ou VE, mais aussi dans les installations d’énergie renouvelable domestiques. La technologie lithium-ion moderne semble atteindre sa densité d’énergie maximale. Cependant, il n’y a aucune raison de s’inquiéter car d’ici un an ou deux, les cellules lithium-ion seront complétées par d’autres technologies dont les capacités semblent presque irréelles aujourd’hui. Découvrez les plus grandes innovations de l’industrie des cellules électriques.

Les Batteries à État Solide pour Révolutionner le Monde

Depuis des années, les passionnés d’électromobilité sont enthousiasmés par la technologie des batteries à état solide (Batterie Tout Solide, BTS), qui offre une densité d’énergie élevée. De plus, en 2022, une start-up de la Silicon Valley appelée Quantum Scape a construit une batterie à état solide qui se charge jusqu’à 80 % en seulement 15 minutes et permet à un véhicule électrique (VE) de parcourir 640 km avec une seule charge. Cette cellule utilise un matériau céramique dédié dont la composition est un secret. Un semi-conducteur est placé entre l’anode et la cathode, remplaçant l’électrolyte liquide, et sa structure permet aux ions de circuler sans provoquer de courts-circuits. La technologie est prometteuse, mais il faudra attendre au moins 2025 pour en exploiter pleinement le potentiel dans les voitures électriques.

Nissan et Toyota travaillent également sur des batteries à semi-conducteurs, Toyota ayant annoncé l’installation de cellules à l’état solide dans ses véhicules dès 2026 dans le cadre de son programme de recherche de 13,6 milliards de dollars.

Il est difficile de s’étonner en regardant les capacités des batteries à semi-conducteurs, qui offrent une densité d’énergie volumétrique allant jusqu’à 1000 watt-heures par litre (les meilleures cellules lithium-ion atteignent 600 watt-heures par litre). Cependant, ce qui est plus important, c’est la densité gravimétrique, qui est d’environ 250 Wh/kg dans les batteries NCM et plus du double dans les batteries BTS. Avec des cellules à l’état solide, l’autonomie d’un VE équivaudrait à celle d’une voiture à moteur à combustion.

De plus, les batteries à semi-conducteurs n’ont pas d’électrolyte liquide, qui est simplement un solvant organique, un hydrocarbure qui s’enflamme rapidement en cas d’incendie. Néanmoins, les batteries à état solide disposent également de systèmes de surveillance de la température pour éviter la surchauffe de la cellule et la dégradation. Les batteries BTS sont également moins sujettes à la formation de dendrites, qui, après de nombreux cycles de charge d’une batterie lithium-ion classique, provoquent une perte de puissance, des courts-circuits et, par conséquent, des incendies.

Les dendrites sont des structures en forme d’aiguille qui se forment à l’intérieur des cellules Li-ion sur l’anode. Elles proviennent de la précipitation de cristaux de lithium dans l’électrolyte liquide. L’utilisation de couches conductrices de semi-conducteurs, qui bloquent le mouvement des électrons tout en permettant le passage des ions lithium grâce à la prétendue barrière de Schottky, empêche l’accumulation de cristaux de lithium, évitant ainsi la formation de dendrites.

Malheureusement, les cellules à semi-conducteurs sont soumises à une augmentation de la pression interne pendant leur fonctionnement, ce qui compliquera leur construction et réduira le coût de ces batteries à “seulement” 65 dollars par kWh contre environ 150 dollars par kWh dans les batteries lithium-ion standard (prix de 2023).

Les Cellules à Base de Silicium Devront être Pressées Fort

Plusieurs autres start-ups, y compris celles de la Silicon Valley, travaillent sur l’utilisation de silicium au lieu de graphite dans les anodes de batterie, ce qui offrirait des performances encore meilleures que la technologie à l’état solide. Les batteries au silicium sont impressionnantes car elles peuvent se charger jusqu’à 80 % en un peu plus de 5 minutes et atteindre 98 % de charge en moins de 10 minutes. De plus, après 1000 cycles, leur efficacité reste à 93 %. Le problème avec les batteries au silicium est qu’elles augmentent leur volume de trois fois pendant leur fonctionnement. Par conséquent, les modèles de test disposent de structures spéciales en acier inoxydable pour limiter l’expansion à pas plus de 2 % du volume après 500 cycles. Il semble que cette solution soit suffisante, puisque Porsche a annoncé l’utilisation de batteries au silicium à partir de 2024, et que Mercedes-Benz prévoit d’installer ces cellules dans des modèles de luxe à partir de 2025.

Les Batteries Structurelles : Une Partie Intégrante du Corps ou du Bâtiment

Les innovations dans la technologie des batteries ne se limitent pas à la densité d’énergie ou au coût. Le problème avec les cellules modernes est leur taille importante, en particulier leur poids (par exemple, les batteries du Tesla Model 3 pèsent jusqu’à 480 kg et, avec une densité d’énergie de 150 Wh/kg, occupent un volume de 0,40 m3). Du point de vue de la conception, une batterie de ce type ne sert à rien, c’est pourquoi les chercheurs de l’Université de Technologie de Chalmers travaillent sur des batteries structurelles en fibres de carbone. Les modèles de test ont une densité de seulement 24 Wh/kg, mais on estime qu’ils peuvent atteindre jusqu’à 75 Wh/kg. D’un côté, cela reste inférieur aux batteries lithium-ion modernes, mais d’un autre côté, les cellules structurelles ont une résistance similaire à celle de l’aluminium, ce qui les rend non pas comme une “masse inutile” car elles peuvent servir d’éléments porteurs dans la carrosserie des véhicules ou les structures des bâtiments.

Les Batteries au Sodium au Lieu du Lithium : Solvants issus du Sel

Les innovations dans la technologie des batteries visent également à éliminer le lithium de leur construction, ce qui permet d’éliminer complètement le nickel, le manganèse et le cobalt. L’extraction de ces matériaux est problématique et a une empreinte carbone. Par conséquent, au lieu de lithium, des expériences sont en cours avec le sodium. Le sodium peut être extrait de la désalinisation de l’eau, ce qui rend la production de ces batteries plus compétitive à l’échelle industrielle par rapport à la méthode actuelle d’osmose inverse.

Des entreprises comme Natron, basée en Californie, développent des batteries au sodium. Ils ont annoncé que leurs cellules ont une durée de vie de plus de 10 fois celle des batteries Li-ion modernes. Elles peuvent se charger jusqu’à 99 % en seulement 8 minutes, ont une durée de vie de plus de 50 000 cycles et sont exceptionnellement stables sur le plan thermique. L’inconvénient est leur densité d’énergie significativement plus faible par rapport aux batteries lithium-ion. Néanmoins, on s’attend à ce que les batteries au sodium deviennent populaires dans les véhicules de micromobilité, où le coût de la batterie est plus important que l’autonomie, et la technologie des ions de sodium est particulièrement compétitive à cet égard.

Les “Batteries Condensées” Chinoises

L’entreprise chinoise CATL a annoncé le début imminent de la production de masse d’une nouvelle “batterie condensée” avec une densité d’énergie allant jusqu’à 500 Wh/kg. De plus, les batteries de ce type se chargent très rapidement. Le fabricant affirme qu’une charge de 10 minutes d’un véhicule électrique équipé d’une batterie de ce type permettra de parcourir jusqu’à 400 km. L’énorme densité d’énergie des batteries CATL permettrait également leur utilisation dans des avions de passagers électriques.

Ces paramètres remarquables ont été obtenus grâce à des modifications de conception, principalement l’utilisation d’un nouveau type d’électrolyte et de nouveaux matériaux de cathode et d’anode. On s’attend à ce que les batteries innovantes du fabricant chinois soient utilisées dans les premiers modèles de véhicules électriques plus tard cette année. On estime qu’elles révolutionneront l’industrie des véhicules électriques.

Les Batteries au Fluorure : Autonomie de 8000 km et des Mois Sans Recharger le Smartphone

Le lithium peut également être remplacé par du fluorure beaucoup moins cher, qui pourrait stocker jusqu’à 10 fois plus d’énergie que les batteries Li-ion contemporaines. On estime que les batteries au fluorure (FIB) fourniront aux véhicules électriques une autonomie allant jusqu’à 8 000 km sur une seule charge et des smartphones qui n’ont pas besoin d’être rechargés pendant plus d’un mois. Cependant, on connaît actuellement peu de matériaux capables de conduire des ions de fluorure, bien que des recherches intensives soient en cours pour les découvrir (le ZnTiF6 montre des promesses).

Les Batteries au Zinc et à l’Aluminium-Soufre

Une autre alternative au lithium est le zinc. Le problème avec les batteries au zinc est les courts-circuits internes qui peuvent provoquer des incendies, causés par les dendrites, déjà connues. Une composition chimique spéciale de l’électrolyte devrait réduire la formation de dendrites. L’utilisation d’éthylène glycol et de tétrafluoroborate de zinc a produit un électrolyte non inflammable qui maintient l’efficacité à des températures allant de -30°C à 40°C.

De plus, les batteries à l’aluminium-soufre peuvent également servir d’alternative aux cellules lithium. Ces batteries utilisent des matériaux peu coûteux, et les échantillons de test se chargent à pleine capacité en moins d’une minute. Malheureusement, pour une efficacité totale, elles doivent être maintenues à une température allant jusqu’à 110°C. Cependant, pendant le fonctionnement, elles dégagent de la chaleur qui peut être utilisée pour le chauffage. De plus, théoriquement, les batteries à l’aluminium-soufre peuvent atteindre une densité d’énergie proche de 1400 Wh/kg, cinq fois plus que les batteries Li-ion les plus efficaces. Ainsi, une batterie du Tesla Model 3 utilisant la technologie à base d’aluminium-soufre ne pèserait que 96 kg au lieu de 480 kg.

Les Batteries Carbone-Oxygène : Houston, Avons-Nous un Problème ?

Il existe également la prometteuse technologie des cellules carbone-oxygène. La NASA l’a conçue pour convertir l’atmosphère riche en CO2 de Mars en air riche en oxygène. Lorsqu’une tension est appliquée, la cellule carbone-oxygène divise le dioxyde de carbone en oxygène et en monoxyde de carbone, générant du courant dans le processus. On s’attend à ce que ces cellules ne coûtent que 15 dollars par kWh et offrent une densité de 740 Wh/l (pour comparaison, une batterie de Tesla Model 3 LR coûte environ 151 dollars par kWh avec une densité de 247 Wh/). Cela les rend trois fois plus petites que les cellules Li-ion comparables.

Cependant, les batteries carbone-oxygène ne peuvent maintenir une charge que pendant environ 100 heures. Après ce délai, le monoxyde de carbone et l’oxygène à l’intérieur commencent à réagir entre eux, provoquant la décharge de la batterie. Par conséquent, cette technologie ne trouvera pas d’application dans les VE, mais peut être utilisée dans les systèmes de stockage d’énergie des installations d’énergie renouvelable.

Les Cellules Fer-Air : Idéales pour l’Énergie Renouvelable ?

Des batteries efficaces peuvent également être construites à partir de poudre d’oxyde de fer et d’une solution aqueuse. Ces composants sont placés dans un récipient relié à une pile à combustible à hydrogène. Le passage de courant à travers la solution aqueuse provoque la libération d’oxygène de l’oxyde de fer en poudre, ce qui, dans ce cas, signifie la charge de la batterie. L’oxygène dissous dans l’eau se transformera bientôt en oxyde de fer, libérant de l’hydrogène de l’eau (c’est ainsi que se présente la décharge de la batterie), qui alimente la pile à combustible, générant finalement de l’électricité.

Les concepteurs de Form Energy, qui devaient construire une batterie fer-air fonctionnelle, ont affirmé que son prix par kWh n’était que de 20 dollars (dans une batterie Li-ion typique, le prix est d’environ 150 dollars par kWh). Cependant, ces cellules innovantes sont lourdes et se chargent lentement. Par conséquent, au lieu d’être utilisées dans les VE, elles seront très probablement utilisées pour construire des systèmes de stockage d’énergie pour les installations d’énergie renouvelable.

Et pendant que nous en sommes là, les batteries de flux redox ont également un grand potentiel. On les appelle aussi batteries de flux. Elles se composent de réservoirs d’électrolyte et d’une membrane spéciale. Des pompes forcent le flux d’électrolyte des deux côtés de la membrane, qui est responsable du transfert d’électrons.

Grâce à ce principe de fonctionnement, la capacité de la batterie dépend de la quantité d’électrolyte et sa puissance du nombre de cellules. Cela permet la construction de systèmes de stockage d’énergie parfaitement adaptés aux besoins de l’utilisateur. En plus de la facilité de mise à l’échelle, les batteries de flux ont une durée de vie d’environ 20 000 cycles, soit plus de 20 ans. De plus, elles offrent une meilleure sécurité contre les incendies, et les coûts de production et de mise en œuvre sont attractifs, même si leur densité énergétique est dix fois plus faible (12 – 40 Wh/kg) par rapport aux batteries Li-ion.

Évidemment, les batteries de flux redox ne trouveront pas d’application dans les véhicules de micro-mobilité ou les voitures électriques. Cependant, leur utilisation dans les systèmes de stockage d’énergie réduira la demande de batteries Li-ion, ce qui réduira le coût des batteries produites avec cette technologie.