OPINION. Le monde fonctionne de plus en plus avec des batteries aujourd'hui principalement lithium-ion. Mais plusieurs modèles recourant à des technologies différentes apparaissent. Ils vont contribuer à la croissance économique grâce à de nouvelles applications. Par Xavier Dalloz, consultant spécialisé dans les nouvelles technologies.
Les batteries vont notamment avoir de plus en plus d'applications dans notre vie quotidienne, ainsi que dans de nombreux secteurs industriels. Il est évident que l'économie de demain fonctionnera avec des batteries.
Par exemple, les véhicules électriques ont déjà dépassé 10 % des ventes mondiales de véhicules en 2022. Ces ventes devraient atteindre 30 % d'ici 2030. Aujourd'hui, la plupart des véhicules électriques sont alimentés par des batteries lithium-ion, une technologie vieille de plusieurs décennies également utilisée dans les ordinateurs portables et les téléphones portables. Les véhicules électriques d'aujourd'hui se rapprochent du prix des voitures à essence et peuvent parcourir des centaines de kilomètres entre les charges. Les nouvelles batteries vont augmenter ces performances.
De nombreuses innovations vont en effet transformer radicalement les batteries avec de nouvelles applications telles que le stockage d'électricité sur le réseau qui peut aider à équilibrer les sources d'énergie renouvelables intermittentes comme l'éolien et le solaire. Un nouveau monde émerge autour de nouvelles batteries.
Voici quelques exemples :
Batteries lithium-ion améliorées
Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans de nombreux appareils électroniques, des téléphones portables aux voitures électriques. Les chercheurs travaillent sur l'amélioration de leur capacité de stockage d'énergie, de leur durée de vie et de leur sécurité.
Des avancées ont été réalisées en augmentant la densité énergétique, ce qui permet d'obtenir une plus grande autonomie pour les véhicules électriques et les appareils mobiles.
Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans de nombreux appareils électroniques, des téléphones portables aux voitures électriques. Les chercheurs travaillent sur l'amélioration de leur capacité de stockage d'énergie, de leur durée de vie et de leur sécurité.
Des avancées ont été réalisées en augmentant la densité énergétique, ce qui permet d'obtenir une plus grande autonomie pour les véhicules électriques et les appareils mobiles.
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Batteries à semi-conducteurs :
Les batteries à semi-conducteurs sont une nouvelle génération de batteries qui utilisent des matériaux à semi-conducteurs au lieu des électrolytes liquides traditionnels.
Elles promettent une densité d'énergie encore plus élevée, une charge plus rapide et une sécurité améliorée. Les batteries à semi-conducteurs pourraient jouer un rôle clé dans l'adoption généralisée des véhicules électriques.
Ces batteries ont une conception similaire à celle des batteries lithium-ion, y compris un électrolyte liquide, mais au lieu de compter sur le lithium, elles utilisent le sodium comme ingrédient chimique principal. CATL aurait prévu de commencer à les produire en masse avant la fin de l'année 2023.
Les batteries à semi-conducteurs sont une nouvelle génération de batteries qui utilisent des matériaux à semi-conducteurs au lieu des électrolytes liquides traditionnels.
Elles promettent une densité d'énergie encore plus élevée, une charge plus rapide et une sécurité améliorée. Les batteries à semi-conducteurs pourraient jouer un rôle clé dans l'adoption généralisée des véhicules électriques.
Ces batteries ont une conception similaire à celle des batteries lithium-ion, y compris un électrolyte liquide, mais au lieu de compter sur le lithium, elles utilisent le sodium comme ingrédient chimique principal. CATL aurait prévu de commencer à les produire en masse avant la fin de l'année 2023.
Les batteries sodium-ion
Cette nouvelle technologie permettrait également de réduire les coûts de l'ordre de 20 % environ, avec toutefois une densité énergétique légèrement plus faible que les batteries lithium-ion, impliquant une autonomie légèrement en retrait. Elles bénéficieront en revanche d'une recharge rapide, et devraient permettre de satisfaire la majorité des usages.
Cette nouvelle technologie permettrait également de réduire les coûts de l'ordre de 20 % environ, avec toutefois une densité énergétique légèrement plus faible que les batteries lithium-ion, impliquant une autonomie légèrement en retrait. Elles bénéficieront en revanche d'une recharge rapide, et devraient permettre de satisfaire la majorité des usages.
Batteries à l'état solide :
Les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes solides au lieu des électrolytes liquides dans les batteries traditionnelles.
Elles offrent plusieurs avantages, tels qu'une plus grande densité d'énergie, une meilleure sécurité, une durée de vie plus longue et une recharge plus rapide. Les batteries à l'état solide sont considérées comme l'une des prochaines grandes avancées dans le domaine des batteries au cours des prochaines années.
Les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes solides au lieu des électrolytes liquides dans les batteries traditionnelles.
Elles offrent plusieurs avantages, tels qu'une plus grande densité d'énergie, une meilleure sécurité, une durée de vie plus longue et une recharge plus rapide. Les batteries à l'état solide sont considérées comme l'une des prochaines grandes avancées dans le domaine des batteries au cours des prochaines années.
Batteries rechargeables à base de zinc :
Les batteries rechargeables à base de zinc sont une alternative intéressante aux batteries au lithium-ion.
Le zinc est un matériau abondant, peu coûteux et non toxique. Ces batteries ont une densité énergétique élevée, une meilleure sécurité et une meilleure stabilité thermique.
De plus, elles peuvent être recyclées plus facilement que les batteries au lithium-ion.
Les batteries rechargeables à base de zinc sont une alternative intéressante aux batteries au lithium-ion.
Le zinc est un matériau abondant, peu coûteux et non toxique. Ces batteries ont une densité énergétique élevée, une meilleure sécurité et une meilleure stabilité thermique.
De plus, elles peuvent être recyclées plus facilement que les batteries au lithium-ion.
Batteries à flux redox :
Les batteries à flux redox utilisent des électrolytes liquides contenant des ions actifs pour stocker l'énergie.
Elles offrent la possibilité de stocker de grandes quantités d'énergie à grande échelle, ce qui les rend idéales pour les applications stationnaires telles que le stockage d'énergie solaire et éolienne.
Les batteries à flux redox sont connues pour leur longue durée de vie et leur capacité à être rechargées rapidement.
Les batteries à flux redox utilisent des électrolytes liquides contenant des ions actifs pour stocker l'énergie.
Elles offrent la possibilité de stocker de grandes quantités d'énergie à grande échelle, ce qui les rend idéales pour les applications stationnaires telles que le stockage d'énergie solaire et éolienne.
Les batteries à flux redox sont connues pour leur longue durée de vie et leur capacité à être rechargées rapidement.
Les batteries LFP (phosphate de fer au lithium)
Les batteries LFP ont une densité d'énergie inférieure à celle des batteries lithium-ion, mais leur coût est moins élevé et surtout elles n'utilisent ni cobalt, ni nickel, matériaux sensibles aux risques d'approvisionnement et de volatilité des prix.
Elles connaitront une forte croissance en Europe et aux États-Unis d'ici à 2030 du fait des prix élevés du cobalt et du nickel.
La part de marché des LFP augmente rapidement , passant d'environ 10 % du marché mondial des véhicules électriques en 2018 à environ 40 % en 2022.
Les batteries LFP ont une densité d'énergie inférieure à celle des batteries lithium-ion, mais leur coût est moins élevé et surtout elles n'utilisent ni cobalt, ni nickel, matériaux sensibles aux risques d'approvisionnement et de volatilité des prix.
Elles connaitront une forte croissance en Europe et aux États-Unis d'ici à 2030 du fait des prix élevés du cobalt et du nickel.
La part de marché des LFP augmente rapidement , passant d'environ 10 % du marché mondial des véhicules électriques en 2018 à environ 40 % en 2022.
La batterie Prieto
La batterie Prieto peut se recharger complètement en trois minutes et peut fournir plus de cinq fois la densité de puissance et jusqu'à trois fois la densité d'énergie des batteries 2D traditionnelles.
La batterie peut fonctionner à des températures aussi basses que moins 30 degrés Celsius et à plus de 100 degrés Celsius,
Contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, sa conception 3D garantit que la batterie ne soit pas inflammable.
La batterie Prieto peut se recharger complètement en trois minutes et peut fournir plus de cinq fois la densité de puissance et jusqu'à trois fois la densité d'énergie des batteries 2D traditionnelles.
La batterie peut fonctionner à des températures aussi basses que moins 30 degrés Celsius et à plus de 100 degrés Celsius,
Contrairement aux batteries lithium-ion traditionnelles, sa conception 3D garantit que la batterie ne soit pas inflammable.
Le rôle clé du noir de carbone et du graphite dans les batteries
Le carbone est utilisé dans les batteries principalement sous forme de graphite, qui est l'un des composants clés des électrodes. Le carbone a le potentiel d'être la prochaine percée dans la technologie des batteries. Son utilisation dans les collecteurs de courant permet notamment d'améliorer le point le plus faible des batteries plomb-acide, à savoir leur faible énergie spécifique.
Voici quelques usages du carbone dans les batteries :
Électrodes négatives :
Le graphite est couramment utilisé comme matériau d'électrode négative dans les batteries au lithium-ion. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium se déplacent de l'électrode négative (anode) vers l'électrode positive (cathode) à travers l'électrolyte, produisant ainsi un courant électrique.
Le graphite est choisi pour sa capacité à intercaler et stocker les ions lithium, ce qui permet une réversibilité des réactions électrochimiques lors des cycles de charge et de décharge.
Le graphite est couramment utilisé comme matériau d'électrode négative dans les batteries au lithium-ion. Lorsque la batterie se décharge, les ions lithium se déplacent de l'électrode négative (anode) vers l'électrode positive (cathode) à travers l'électrolyte, produisant ainsi un courant électrique.
Le graphite est choisi pour sa capacité à intercaler et stocker les ions lithium, ce qui permet une réversibilité des réactions électrochimiques lors des cycles de charge et de décharge.
Électrodes positives :
Bien que le carbone ne soit pas utilisé comme matériau d'électrode positive dans les batteries au lithium-ion, certains types de batteries, comme les batteries au plomb-acide, utilisent des électrodes positives à base de carbone.
Bien que le carbone ne soit pas utilisé comme matériau d'électrode positive dans les batteries au lithium-ion, certains types de batteries, comme les batteries au plomb-acide, utilisent des électrodes positives à base de carbone.
Matériau conducteur :
Le carbone est un matériau électriquement conducteur, ce qui en fait un choix idéal pour faciliter le transfert d'électrons dans une batterie. Il est souvent utilisé pour recouvrir les électrodes afin d'améliorer la conductivité électrique et d'assurer une distribution uniforme du courant.
Le carbone est un matériau électriquement conducteur, ce qui en fait un choix idéal pour faciliter le transfert d'électrons dans une batterie. Il est souvent utilisé pour recouvrir les électrodes afin d'améliorer la conductivité électrique et d'assurer une distribution uniforme du courant.
Amélioration de la stabilité :
L'ajout de carbone dans les électrodes peut améliorer la stabilité et la durabilité des batteries. Il peut aider à prévenir la formation de dendrites de lithium, qui peuvent court-circuiter la batterie et entraîner des problèmes de sécurité.
L'ajout de carbone dans les électrodes peut améliorer la stabilité et la durabilité des batteries. Il peut aider à prévenir la formation de dendrites de lithium, qui peuvent court-circuiter la batterie et entraîner des problèmes de sécurité.
Supercapacités :
Les supercondensateurs, également appelés supercapacités, sont des dispositifs de stockage d'énergie qui utilisent le carbone sous forme de matériaux poreux, tels que les nanotubes de carbone ou le carbone activé.
Ces matériaux offrent une surface spécifique élevée, ce qui permet une plus grande capacité de stockage électrique.
Les supercondensateurs, également appelés supercapacités, sont des dispositifs de stockage d'énergie qui utilisent le carbone sous forme de matériaux poreux, tels que les nanotubes de carbone ou le carbone activé.
Ces matériaux offrent une surface spécifique élevée, ce qui permet une plus grande capacité de stockage électrique.
Quant aux applications des batteries, on va les trouver partout dans notre vie quotidienne.
Voici quelques-unes des applications qui vont se généraliser :
Automobile
Les batteries sont essentielles pour alimenter les véhicules électriques (VE) et les véhicules hybrides rechargeables (VHR).
Les batteries fournissent l'énergie nécessaire pour propulser le véhicule et alimenter les systèmes électriques tels que les phares, le système de climatisation, l'électronique embarquée, etc.
Les batteries sont essentielles pour alimenter les véhicules électriques (VE) et les véhicules hybrides rechargeables (VHR).
Les batteries fournissent l'énergie nécessaire pour propulser le véhicule et alimenter les systèmes électriques tels que les phares, le système de climatisation, l'électronique embarquée, etc.
Électronique grand public
Les batteries sont utilisées dans une variété d'appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables, les tablettes, les ordinateurs portables, les montres intelligentes, les écouteurs sans fil, les caméras, les consoles de jeux, etc. Elles alimentent ces appareils en énergie pour les rendre portables et autonomes.
Les batteries sont utilisées dans une variété d'appareils électroniques grand public tels que les téléphones portables, les tablettes, les ordinateurs portables, les montres intelligentes, les écouteurs sans fil, les caméras, les consoles de jeux, etc. Elles alimentent ces appareils en énergie pour les rendre portables et autonomes.
Énergie renouvelable
Les batteries sont utilisées dans les systèmes de stockage d'énergie pour les installations d'énergie renouvelable, comme les panneaux solaires et les éoliennes.
Les batteries permettent de stocker l'énergie produite pendant les périodes de faible demande ou lorsque les sources d'énergie renouvelable sont actives, puis de la restituer lorsque la demande est plus élevée ou lorsque les sources ne sont pas disponibles.
Les batteries sont utilisées dans les systèmes de stockage d'énergie pour les installations d'énergie renouvelable, comme les panneaux solaires et les éoliennes.
Les batteries permettent de stocker l'énergie produite pendant les périodes de faible demande ou lorsque les sources d'énergie renouvelable sont actives, puis de la restituer lorsque la demande est plus élevée ou lorsque les sources ne sont pas disponibles.
Systèmes d'alimentation de secours
Les batteries sont utilisées dans les systèmes d'alimentation de secours, tels que les onduleurs, pour fournir de l'électricité en cas de panne de courant.
Les batteries sont utilisées dans les maisons, les entreprises, les centres de données, les hôpitaux, etc., pour assurer un fonctionnement continu des équipements critiques pendant une coupure d'électricité.
Les batteries sont utilisées dans les systèmes d'alimentation de secours, tels que les onduleurs, pour fournir de l'électricité en cas de panne de courant.
Les batteries sont utilisées dans les maisons, les entreprises, les centres de données, les hôpitaux, etc., pour assurer un fonctionnement continu des équipements critiques pendant une coupure d'électricité.
Stockage d'énergie stationnaire
Les batteries sont utilisées pour le stockage d'énergie à grande échelle dans les systèmes de stockage stationnaires.
Cela comprend le stockage d'énergie sur le réseau électrique pour équilibrer l'offre et la demande, améliorer la stabilité du réseau et faciliter l'intégration des énergies renouvelables.
Les batteries sont utilisées pour le stockage d'énergie à grande échelle dans les systèmes de stockage stationnaires.
Cela comprend le stockage d'énergie sur le réseau électrique pour équilibrer l'offre et la demande, améliorer la stabilité du réseau et faciliter l'intégration des énergies renouvelables.
Équipements médicaux
Les batteries sont utilisées dans divers équipements médicaux, tels que les appareils de surveillance, les pompes à perfusion, les respirateurs, les défibrillateurs portables, etc.
Les batteries assurent l'alimentation continue de ces dispositifs essentiels dans les environnements médicaux.
Les batteries sont utilisées dans divers équipements médicaux, tels que les appareils de surveillance, les pompes à perfusion, les respirateurs, les défibrillateurs portables, etc.
Les batteries assurent l'alimentation continue de ces dispositifs essentiels dans les environnements médicaux.
Ces exemples ne sont qu'une sélection des nombreuses applications des batteries. En fonction des avancées technologiques et des besoins émergents, de nouvelles applications vont très vite apparaître. On associera de plus en plus batteries à croissance économique et on parlera de plus en plus de batterie (isation) de la société comme on a parlé d'informatisation de la société depuis 1980.
Un autre point important concerne le recyclage des batteries. Les nouvelles voies de recyclage visent à augmenter les taux de récupération des matériaux. Par exemple, la récupération du graphite, un composant qui représente environ 15 à 25 % du poids d'une batterie.
