Des matériaux alternatifs pourraient fournir des batteries moins chères, plus durables et de plus longue durée
Avec l’accélération de la demande mondiale d’intégration des énergies renouvelables et de solutions de mobilité électrique, le stockage d’énergie devient de plus en plus crucial. Les batteries lithium-ion, actuellement la norme, offrent des performances substantielles mais présentent des inconvénients significatifs, notamment des coûts élevés, des préoccupations en matière de sécurité et une disponibilité limitée des matériaux.
Les électrodes à monocristaux pourraient améliorer les batteries lithium-ion. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Canadian Light Source
Ces limitations ont suscité des efforts mondiaux pour explorer des alternatives, telles que les batteries thermiques et à base de magnésium, qui promettent une meilleure accessibilité économique, sécurité et durabilité. Simultanément, des conceptions avancées de batteries lithium-ion cherchent à atténuer les problèmes de dégradation qui limitent leur durée de vie opérationnelle.
Stockage d’énergie thermique. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Rondo Energy
Batterie à électrolyte de magnésium
Des chercheurs de l’Université de Waterloo ont réalisé une avancée dans la technologie des batteries à base de magnésium, en tant qu’alternative à la technologie à base de lithium.
Cette invention répond au défi de longue date de développer des batteries à base de magnésium avec des tensions et des efficacités compétitives par rapport aux batteries lithium-ion. Les anodes en magnésium présentent une faible efficacité d’électrodéposition dans des électrolytes sans halogène à des capacités élevées, principalement en raison d’une couche SEI isolante formée par la décomposition de l’électrolyte. Les chercheurs ont abordé ce problème en concevant un électrolyte en magnésium innovant permettant une électrodéposition réversible du magnésium.
Une cellule bouton utilisant une anode en magnésium. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Université de Waterloo
Le placage rapide du magnésium forme des plaquettes minces avec une efficacité proche de 100 %, atteignant des capacités allant jusqu’à 50 mAh/cm². Contrairement aux anciennes batteries à base de magnésium qui fonctionnaient à seulement 1 V, leur nouvel électrolyte atteint jusqu’à 3 V, une amélioration significative rendue possible grâce à une stabilité chimique et des propriétés électrochimiques améliorées.
Ce développement constitue une avancée majeure car les études similaires précédentes n’ont pas pu obtenir les mêmes résultats. Certains chercheurs ont réussi mais ont utilisé des matériaux coûteux pouvant freiner une utilisation commerciale. De plus, contrairement aux études antérieures, cette étude utilise des électrolytes non corrosifs et non inflammables.
Batteries thermiques
Les batteries thermiques stockent l’électricité excédentaire provenant de sources renouvelables comme l’éolien et le solaire sous forme de chaleur dans des matériaux tels que des briques ou du graphite, pouvant atteindre des températures supérieures à 1 600 °C.
Rondo Energy a déployé sa première batterie thermique commerciale en Californie, stockant l’énergie solaire sous forme de chaleur dans des briques en argile. Selon les rapports, cette solution permet de stocker plus d’énergie par livre que les batteries lithium-ion, à seulement 10 % du coût. Ces systèmes sont conçus pour fournir de la chaleur à haute température à la demande, ce qui les rend particulièrement adaptés aux industries énergivores telles que l’acier, le ciment et la fabrication chimique.
L’entreprise vise une production annuelle de 90 GWh d’ici 2027, ce qui pourrait réduire les émissions de dioxyde de carbone de 12 millions de tonnes. L’éducation du marché et les coûts initiaux élevés ont été identifiés comme des obstacles majeurs à surmonter.
La batterie à électrode à monocristal
Les batteries lithium-ion se dégradent après environ 2 400 cycles, soit environ huit ans de fonctionnement, en raison de microfissures dans les matériaux d’électrode causées par une expansion et une contraction répétées. Des scientifiques de l’Université Dalhousie ont utilisé la Canadian Light Source pour étudier une batterie à électrode monocristalline qui a maintenu 80 % de sa capacité après 20 000 cycles sur six ans, équivalant à 8 millions de km d’autonomie de conduite.
La structure monocristalline de l’électrode minimise le stress mécanique et la dégradation car les particules constituent un cristal unique et cohésif, similaire à un cube de glace, par rapport aux clusters fragiles en forme de boule de neige dans les conceptions conventionnelles. Cette durabilité a été confirmée par l’imagerie par lumière synchrotron, qui a révélé des dommages internes négligeables même après six ans de cyclage continu.
Une comparaison de la dégradation entre les cristaux. Image courtoisie de Bond et al.
L’étude a exploré les mécanismes de dégradation des cellules lithium-ion sous cyclage intensif, en se concentrant sur des cathodes NMC622 polycristallines et NMC532 monocristallines. En utilisant la diffraction des rayons X synchrones, les chercheurs ont analysé une cellule NMC622 polycristalline cyclée pendant 2,5 ans et une cellule NMC532 monocristalline avec plus de 20 000 cycles. Les cellules NMC622 ont montré des microfissures étendues dans la cathode, un gonflement de l’électrode et un délaminage localisé, tandis que les cellules NMC532 monocristallines ont démontré une dégradation réduite.
Ces résultats suggèrent qu’en dépassant la durée de vie typique d’un véhicule électrique, ces batteries pourraient être réaffectées au stockage d’énergie du réseau.
Un avenir sans lithium ?
De toute évidence, l’industrie et le milieu académique sont fortement investis dans l’élimination du lithium du stockage d’énergie. En s’attaquant aux limitations des systèmes existants, ces avancées pourraient inspirer un changement vers des modèles énergétiques décentralisés et une dépendance diversifiée aux ressources, ce qui redéfinirait totalement l’indépendance énergétique mondiale.