Innovation : la technologie au secours du climat

Aujourd’hui, les batteries sont des technologies indispensables à notre quotidien. Elles ont participé à l’avènement de notre ère en permettant l’usage portatif de nombreux appareils.

Au-delà de ça : elles représentent un espoir pour parvenir à développer de plus en plus les ressources énergétiques vertes telles que le solaire et le vent. De nombreux pays, sociétés et instituts de recherches s’engagent dans le développement des batteries de demain : parviendra-t-on à trouver la combinaison parfaite entre performances, production peu coûteuse et peu polluante et durée de vie ?

Une batterie, c’est quoi exactement ?

Une batterie est un dispositif composé d’accumulateurs électriques capable de stocker l’énergie pour la restituer ultérieurement. Elle convertit l’énergie électrique en énergie chimique, selon un processus réversible. Cela signifie qu’elle peut aussi faire l’inverse et convertir cette énergie chimique en énergie électrique, à la demande. En cela, la batterie est différente de la pile. La pile peut stocker une certaine quantité d’énergie et la fournir, ensuite elle se vide.

Une batterie est composée d’une électrode positive, d’une électrode négative et d’un ou plusieurs séparateurs poreux imbibés que l’on appelle électrolyte. Aujourd’hui, on retrouve des batteries dans de nombreux appareils modernes : téléphones, PC portables, véhicules, consoles, outillages, petit électroménager, jouets, etc.

Différents paramètres entrent en jeu pour comparer les capacités d’une batterie :

• la tension des cellules ;
• la capacité de stockage ;
• la densité d’énergie ;
• la densité de puissance ;
• le rendement coulombique ;
• la durée de vie.

Quels sont les différents types de batteries ?

Il existe de nombreuses technologies de batteries. En voici quelques-unes parmi les plus répandues :

• Batteries au plomb acide (Pb-acid) : Il s’agit de la technologie la moins chère disponible sur le marché, mais elle est vite devenue obsolète vu nos besoins actuels ; ses performances sont insuffisantes pour nos appareils modernes.
• Batteries au Nickel-cadmium (Ni-Cd) : Ces batteries avaient des performances satisfaisantes et disposaient d’une charge très rapide. Pourtant, leur durée de vie est très insuffisante. Au fil des cycles, c’est-à-dire des charges et décharges, les batteries Ni-Cd perdent très vite de leur capacité. Elles sont désormais interdites à l’usage en UE.
• Batteries aux hydrures de métal-nickel (Ni-Mh) : Elles représentent une bonne alternative aux Ni-Cd. Elles comportent néanmoins un gros défaut : la recharge n’est pas assez rapide.
• Batteries au lithium-ion (Li-Ion) : ce sont celles qu’on retrouve le plus souvent aujourd’hui dans nos appareils. Elles sont les plus rentables à construire pour leurs performances. Elles ont deux principaux inconvénients : les matériaux contenus dans ces batteries sont toxiques et les capacités qu’elles offrent sont encore trop limitées pour l’usage qu’on aimerait en faire. Par exemple dans le domaine de l’automobile, pour parvenir à créer des voitures électriques de meilleure qualité, il faudrait une technologie encore plus avancée.
• Batteries au lithium-soufre (Li-S) : Elles représentent actuellement les principales concurrentes aux batteries Li-ion. Pourtant, elles comportent elles aussi des risques liés aux électrodes en lithium métallique.
• Batteries au lithium air (Li-Air) : Elles représentent une option intéressante, car elles fonctionnent à l’aide de dioxygène. Or, comme vous le savez sûrement déjà, le dioxygène est naturellement présent en grande quantité dans l’air. Cependant, cette technologie est encore trop peu mature et les coûts de production n’en font visiblement pas une bonne candidate pour remplacer les Li-ion.
• Batteries au sodium (Na-ion) : Le sodium étant également une ressource naturelle abondante, ces batteries représentent également une bonne option. Le sodium est, en effet, 1000 fois plus abondant que le lithium sur Terre. Pourtant, ces batteries ne pourraient pas remplacer l’intégralité des batteries Li-ion, car leurs capacités en termes de densité d’énergie restent inférieures.

Quels sont les impacts écologiques des batteries ?

On pourrait croire que les batteries sont un moyen plutôt polluant d’utiliser de l’énergie. Pourtant, ce n’est pas tout à fait vrai.

Avec l’avènement et le développement des énergies renouvelables, les batteries deviennent des technologies intéressantes à employer au secours du climat.

Il faut des batteries pour pouvoir stocker l’énergie produite par les éoliennes et le photovoltaïque, par exemple. Ces outils permettent de générer de l’énergie avec l’aide du vent ou du soleil… Mais bien souvent, on se retrouve ainsi dépendant de la météo !

Une batterie permet de stocker l’énergie produite pendant les périodes favorables puis d’utiliser cette énergie dans les périodes où ma météo ne permet pas d’obtenir cette énergie.

Or, actuellement les batteries ne sont toujours pas assez performantes. En 2018, on comptait que pour 2 jours de consommation d’électricité en France, il aurait fallu 12 millions de tonnes de batteries lithium.

À noter que seules 40 000 tonnes de ce métal étaient extraites par an.

Quelles sont les difficultés rencontrées ?

Les batteries peuvent donc avoir des impacts positifs :

• elles rendent possible l’utilisation de ressources et énergies renouvelables, moins polluantes que les énergies fossiles ;
• elles peuvent être de plus ou moins grandes capacités, taille, poids et répondent ainsi à de nombreux besoins ;
• elles sont plus performantes et durables que les piles par exemple, ce qui évite une forme d’obsolescence programmée.

Pourtant, elles ont aussi des inconvénients et des impacts négatifs sur l’environnement. On remarque en effet une tendance en comparant les différents types de batteries : les batteries les moins polluantes ont souvent des limites en termes de performances ou de durée de vie.

À l’inverse, les batteries un peu plus polluantes ont des performances inégalées, mais encore trop limitées pour nos ambitions en termes d’énergies renouvelables (voitures électriques, aéronautiques, consommation massive d’appareils tels que les smartphones, par ex.).

Les conditions à remplir sont en effet nombreuses :

• une performance supérieure pour supporter nos besoins en énergie croissants ;
• un coût de production et d’acquisition abordable ;
• une durabilité.

C’est surtout l’équilibre entre ces différents critères qui est difficile à obtenir. C’est pourquoi de nombreuses recherches sont menées sur le sujet des batteries, afin de dépasser les difficultés rencontrées actuellement.

Les batteries ne sont-elles pas recyclables ?

Oui, c’est faisable de recycler des batteries. Mais on rencontre encore une fois des problèmes, entre autres avec les batteries Li-ion (les plus répandues actuellement). Le premier problème vient du fait qu’il n’existe actuellement pas de standard dans la conception de ces batteries. Cela signifie donc qu’il est plus difficile d’ancrer un processus de recyclage massif.

Le deuxième problème est lié aux risques rencontrés lors du démantèlement de ces batteries : risques électriques, risques d’emballement thermique et même risques d’explosion !

De plus, le processus de recyclage reste un processus assez complexe. Quatre étapes sont nécessaires :

• Stabilisation de l’appareil : on décharge le pack au moyen d’une résistance ou solution saline ;
• Prétraitement : on isole les différents modules qui composent la batterie ;
• Hydrométallurgie : on dissout les métaux puis on les isole ;
• Pyrométallurgie : étape la plus énergivore et coûteuse, qui permet l’élimination des autres modules.

Les éléments retrouvés en prétraitement peuvent être démontés afin d’être récupérés et transformés, ou écrasés. Certains sels de métaux peuvent être récupérés et réutilisés : ils connaissent donc une boucle de recyclage fermée.

À savoir : la Commission européenne a regroupé 260 acteurs du secteur industriel et de l’innovation en 2017 sous la forme d’une alliance. Il s’agit de l’Alliance européenne des batteries. La France et l’Allemagne ont investi plus de 5 milliards d’euros pour faire avancer le sujet du recyclage des batteries.

Où en sont les recherches sur les technologies de batteries ?

Battery 2030+

Depuis le 1er septembre 2020, la Commission européenne a également lancé une mission Battery2030+. Plus de 40 millions d’euros ont été investis au travers de 6 projets :

• Big MAP soutenu par le Danemark ;
• Instabat soutenu par la France ;
• Sensibat soutenu par l’Espagne ;
• Spartacus soutenu par l’Allemagne ;
• Hidden soutenu par la Finlande ;
• Bat4Ever soutenu par la Belgique.

Les objectifs :

• Inventer des batteries plus performantes, plus sûres, plus abordables et plus durables que celles que l’on trouve actuellement sur le marché ;
• Améliorer les industries européennes des batteries en leur fournissant des outils et technologies de pointe pour soutenir la production ;
• Engager l’Europe dans un leadership sur les marchés existants : transports, stockage stationnaire, robotique, aéronautique, dispositifs médicaux, Internet des objets.

Batteries au lithium-soufre

La batterie au lithium-soufre représenterait une bonne alternative au li-ion. Plusieurs grands groupes ont donc décidé d’investir dans la recherche et le développement sur ces batteries : Samsung, Bosch, Sony, etc.

Même si les batteries au soufre ne règlent pas le problème du lithium, elles seraient beaucoup moins coûteuses à produire et moins toxiques pour la planète grâce au soufre. Ses caractéristiques électrochimiques en font une piste alternative intéressante, qui ne manquera pas de progresser à l’avenir.

Batteries au sodium

Une autre piste de recherche soutenue par la Japan Science and Technology Agency (JST) porte sur les batteries au sodium. En effet, ces batteries permettent de se libérer du lithium, tout en représentant une solution rentable. Cependant, leur densité d’énergie reste moins forte que les batteries au lithium. L’usage de ces batteries se limiterait donc à certains domaines, mais paraît prometteur.

Les technologies de batteries sont nombreuses et les recherches continuent pour trouver des solutions innovantes. L’alliage parfait entre production peu polluante, performances, rentabilité n’est pas encore trouvé, mais de nombreux états, sociétés et organismes de recherche s’y intéressent.