Quel futur pour les batteries ?

Publié par Redbran le 22/12/2016 à 12:00
Source: CNRS/INC
Depuis quelques années, les batteries sont entrées dans leur âge d'or. Mais quelles sont les voies les plus prometteuses pour pousser plus loin leurs performances et leur compatibilité environnementale ? Au-delà de la simple autonomie, quels éléments utiliser pour produire des batteries encore plus efficaces et peu polluantes ? Comment s'assurer qu'elles survivent longtemps ? Comment identifier rapidement une cellule défectueuse pour vite la remplacer ou la réparer ? C'est à ces questions qu'un professeur du Laboratoire chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) du solide et énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (CNRS / Collège (Un collège peut désigner un groupe de personnes partageant une même...) de France), en collaboration avec une chercheuse britannique de l'Université de Cambridge (L'université de Cambridge est une université britannique connue dans le monde entier.), apportent des éléments de réponse dans un article publié dans la revue Nature Materials.


Prototype de batterie sodium-ion au format 18650 mis au point par le CEA et le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) dans le cadre du Réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), coordonné par JM Tarascon.

Au-delà de l'autonomie, des questions environnementales

Les besoins croissant en batteries, notamment pour l'industrie automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) et le stockage stationnaire des énergies renouvelables, reposent sur la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) Li-ion et mettent une forte pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) sur les ressources en lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.). Même si une pénurie n'est pas encore à craindre pour les prochaines années, les chercheurs travaillent sur des technologies utilisant des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) contenant peu ou pas de lithium comme le Na-ion, des technologies plus facilement recyclables...

Les deux chercheurs mettent en avant l'exemple du LiFePO4 (un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) d'électrode positive pour batteries Li-ion largement commercialisé et synthétisable à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ne contenant que du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) et du phosphate (Un phosphate, en chimie inorganique, est un sel d'acide phosphorique résultant de l'attaque...), deux composés très abondants sur Terre). Même s'il souffre d'une pénalité dans sa densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'énergie (autonomie) il est de plus en plus employé dans les véhicules électriques. On est ici à l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) de composés comme le LiCoO2, très utilisé dans les smartphones, mais contenant du cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...) rare, cher et toxique.

Une autre stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie...), à moyen terme, seraient de quitter complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) la technologie Li-ion pour se tourner vers des technologies comme le Li/S, le Na-ion, le Mg-ion, le Ca-ion, le Li-air.

Toutes ces technologies présentent des avantages que ce soit en termes d'abondance (le sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un...) est 1000 fois plus abondant que le lithium; le calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.), 3000 fois plus) ou en termes de recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui...) comme avec les électrodes organiques ou les liants obtenus à partir de ressources naturelles comme la CMC (carboxyméthylcellulose). Les verrous de ces batteries du futur sont cependant nombreux. Par exemple, dans le cas des batteries Mg-ion il y a une difficulté à identifier des matériaux capables d'insérer les ions Mg2+ au-delà de 1.3V et de trouver des électrolytes compatibles. Mais les avancées sont rapides, par exemple, dans le cas des batteries Na-ion où CNRS et le CEA ont mis au point via le RS2E (Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie du CNRS) un prototype viable en cours de valorisation pré-industrielle.

Vers une médecine personnalisée des batteries ?

Un autre défi va être d'allonger la durée de vie (La vie est le nom donné :) des "packs" de batteries pour véhicules électriques (composés de batteries plus petites, ou cellules, pouvant connaître des défaillances mettant en danger la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste...) globale du pack) et surtout de donner une deuxième vie à ces "packs" de batteries. La "deuxième vie" correspond à la réutilisation d'une batterie sur un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) moins demandeur après une baisse significative de son autonomie (en général 20%). Un marché prometteur qui intéresse déjà les industriels du véhicule électrique (Un véhicule électrique est un véhicule dont la propulsion est assurée par un...). Mais là aussi des questions se posent: comment déterminer la valeur de la batterie "usagée" ? Son état de santé ?

Les chercheurs proposent de s'inspirer de la médecine individualisée avec l'utilisation de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) voire de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) optiques directement placées dans des cellules 18650 pour mesurer la température, la pression... Ils appellent à lancer des efforts de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) importants dans le domaine afin de développer ce genre de méthodes "passives", non destructives (sans influences sur la batterie) et utilisables dans l'industrie.
Cela permettrait d'améliorer la traçabilité de la batterie au cours de ses nombreuses vies (grâce à une base de données (En informatique, une base de données (Abr. : « BD » ou...) mondiale) et d'en augmenter ainsi la durée de vie par l'identification des défaillances en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel. En cas de défaillances, les chercheurs proposent même d'aller jusqu'à leur "guérison (La guérison est un processus biologique par lequel les cellules du corps se...)" par intervention extérieure ou par l'utilisation de matériaux auto-réparant (self-healing materials).

Un nouveau paradigme s'ouvre-t-il ?

Référence:
CP Grey & JM Tarascon
Sustainability and in situ monitoring for battery development (Development est une revue scientifique bimensuelle à comité de lecture couvrant tous les...)
Nature Materials 20 décembre 2016
http://www.dx.doi.org/10.1038/NMAT4777

Contact chercheur:
Jean-Marie Tarascon, Collège de France (Le Collège de France, situé au no 11 place Marcelin-Berthelot dans le quartier latin...) - Paris
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