À quoi ressembleront les batteries de demain ?

Les journées dédiées à des sujets insolites ne cessent de se multiplier chaque année et les batteries ne font pas exception. Si elle est peu célébrée dans nos régions, le 18 février est en effet désormais la journée consacrée aux batteries. Qu’elles soient dans un smartphone, des écouteurs sans fil ou dans un véhicule électrique, il est désormais difficile de se passer des batteries à base de lithium qui représentent aujourd’hui la grande majorité des batteries utilisées dans le monde. À la fois légères et peu volumineuses, ces batteries lithium-ion ont permis de créer des appareils portables de plus en plus petits et performants.

Pour autant, même si le nombre d’appareils faisant appel à des batteries ne cesse d’augmenter, les ressources utilisées pour fabriquer ces batteries au lithium sont quant à elles limitées. La décarbonisation du secteur automobile, qui place de nombreux espoirs dans la démocratisation des véhicules électriques, jouera également un rôle dans l’augmentation du nombre de batteries nécessaire dans les prochaines années.

La collecte de lithium pose de nombreux problèmes environnementaux.

Dans un rapport publié en mai, l’Agence Internationale de l’Énergie alerte contre une pénurie potentielle de lithium et de cobalt dès 2025, des éléments actuellement indispensables à la confection des batteries. De son côté, la Commission européenne considère qu’il faudra soixante fois plus de lithium d’ici 2050 pour couvrir nos besoins. Enfin, ces batteries au lithium entraînent de nombreux problèmes environnementaux.

Une évolution constante

La première véritable batterie, la pile voltaïque, tire son nom de son inventeur Alessandro Volta, un physicien italien qui a mis au point le dispositif en 1800. Elle était composée d’un empilement de disques de cuivre et de zinc séparés par un chiffon imbibé d’eau salée.
En 1859, Wilhelm Josef Sinsteden, un physicien allemand, conçoit la batterie au plomb-acide. Un type de batterie toujours utilisé pour faire démarrer une grande partie des moteurs à combustion actuels.

La pile à colonne de Volta, ou pile voltaïque, a été inventée en 1800. Luigi Chiesa

Inventées en 1899 par l’ingénieur suédois Ernst Waldemar Jungner, les batteries en nickel-cadmium ont ensuite dominé le marché jusque dans les années 1990, où elles ont été remplacées par des batteries à base de nickel-hydrure métallique afin de résoudre des problèmes de toxicité.
Enfin, les batteries au lithium ont connu un long développement qui a débuté en 1912 avant d’aboutir à la démocratisation des batteries lithium-ion dans les années 1990.

Depuis leur création, les batteries n’ont cessé de se réinventer. Afin d’éviter de se retrouver démuni face à la pénurie de lithium annoncée et afin de trouver des solutions plus durables, de nombreux chercheurs à travers le monde œuvrent pour développer de nouvelles méthodes pour conserver l’énergie et tentent, à l’heure tour, de révolutionner le monde des batteries.

Des batteries à base de sel

Si elles ont été remplacées depuis longtemps par les batteries à base de lithium, les batteries à base de sodium, ou tout simplement de sel, pourraient faire leur grand retour dans les prochaines années. Chimiquement proche du lithium, le sodium avait pourtant été mis de côté face à la taille plus réduite et au poids moindre des piles à base de lithium. Le sodium est en effet trois fois plus lourd que le lithium et se révélait moins efficace dans les batteries.

Le sodium dispose cependant de plusieurs avantages indéniables : le carbonate de sodium coûte 30 à 40 fois moins cher que le carbonate de lithium, il est plus performant par temps froid et il est également disponible en quantité presque illimitée. On le trouve en effet pratiquement partout, par exemple dans l’eau de mer.

Le sodium est facilement disponible en grande quantité.

Des chercheurs de l’Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne ont d’ailleurs poussé l’idée plus loin en développant une batterie rechargeable à base d’eau de mer. Grâce à un système "ouvert" qui fournit un flux continu d’eau de mer, l’électrode positive fournit une quantité presque illimitée de sodium.

La recherche sur les batteries à base de sodium ne se fait toutefois pas uniquement à l’étranger. Un laboratoire de l’université de Namur travaille notamment sur la mise en place de batterie à doubles ions à base de sodium. "Avec la transition énergétique, on va avoir besoin de plus en plus de batteries, d’autant que les énergies renouvelables sont des énergies intermittentes", explique le professeur Bao-Lian Su. "Il faudra donc stocker l’énergie produite à un moment donné pour pouvoir la libérer plus tard. On estime donc que les besoins en batteries vont augmenter de 10 fois d’ici 2030."

Bao-Lian Su estime que la technologie qu’il développe pourrait remplacer les batteries lithium-ion d’ici 5 à 10 ans.

Du fer à la place du lithium

Le fer pourrait être utilisé pour créer des batteries de grandes tailles. Getty Images

Parmi les substituts au lithium, on retrouve également le fer. Les recherches actuelles estiment qu’il pourrait se révéler intéressant, grâce notamment à une perte limitée de son efficacité au cours du temps. Situé dans l’Oregon, la société ESS Inc. L’entreprise explique que grâce au fer et au sel utilisé pour les confectionner, des ressources abondantes et abordables, l’énergie pourrait être stockée en produisant moins de dommages environnementaux que les piles au lithium.

Tout comme les batteries au sodium, les batteries présentent cependant un inconvénient de taille puisqu’elles sont bien plus grandes que leurs homologues au lithium. Plutôt que de remplacer les batteries des téléphones ou des véhicules électriques, ces batteries pourraient donc être utilisées afin de stocker le surplus d’énergie produit par les réseaux électriques.

Le magnésium envisagé

Plus discrètes que leurs cousines au sodium, les batteries à base de magnésium pourraient malgré tout se révéler intéressantes. Des chercheurs issus du MIT, du Berkeley Lab, et du Laboratoire national d’Argonne tentent en effet depuis plusieurs années de remplacer le lithium par du magnésium, présent en large quantité dans la nature. Les chercheurs estiment que ces batteries seraient plus efficaces et plus sûres que les batteries lithium-ion utilisées aujourd’hui. À taille égale, elles pourraient fournir deux fois plus d’énergie.

Si les résultats sont encourageants, la commercialisation à grande échelle de ces batteries n’est cependant pas prévue pour l’instant.
Du chanvre dans les batteries

Le chanvre pourrait à l’avenir être incorporé aux batteries. Getty Images
Si de nombreux éléments sont envisagés pour remplacer le lithium, d’autres se démarquent davantage par leur singularité. Des chercheurs de l’université du Wisconsin à Milwaukee et de l’Université de North Texas travaillent ainsi sur des batteries à base de chanvre, une plante notamment utilisée dans l’industrie textile, cosmétique et alimentaire.

Le chanvre B4C, pour "Carbure de bore fabriqué à partir de chanvre", utilise la technologie du lithium-soufre. Selon la société texane Bemp Research Corp., qui tente de lever des fonds pour développer cette alternative, les batteries B4C permettraient de diminuer les coûts par rapport aux batteries au lithium, tout en proposant un poids, des performances et un recyclage plus efficient.

"Les batteries au lithium-soufre ont des problèmes comme la contraction et la dilatation de la cathode pendant la charge et la décharge", explique le fondateur de la société Son Nguyen au site d’information consacré à l’énergie EnergyTech. "Le chanvre est une solution plus efficace et moins coûteuse que le graphène, qui n’est pas disponible en masse. La durabilité du chanvre peut aider la cathode à résister à des centaines de cycles." Il ajoute que le soufre et le chanvre sont trouvables de façon abondante.

Du graphène en complément

Le graphite, dont est extrait le graphène, se retrouve notamment dans les crayons.

Enfin, si les remplaçants envisagés pour le lithium sont nombreux, certains chercheurs travaillent malgré tout sur des façons d’améliorer les batteries lithium-ion actuelles. Le graphène, un minéral que l’on retrouve dans le graphite, un dérivé du carbone, pourrait à l’avenir devenir un composant central des batteries des véhicules électriques.

Les batteries en graphènes disposeraient de plusieurs avantages par rapport au lithium-ion. Elles seraient notamment plus résistantes et moins sujettes à l’usure, augmentant par la même occasion sa durée de vie. Elles seraient également plus rapides à recharger, un avantage indéniable pour les véhicules électriques dont les batteries peinent aujourd’hui à se recharger rapidement. Enfin, elles seraient également plus sûres.

Malheureusement, le coût du graphène, régulièrement qualifié d’or noir, risque de freiner la démocratisation de ce type de batterie.

Il faut avant tout que cela soit durable

La durabilité des batteries sera un des enjeux majeurs. 

D’autres initiatives et pistes de recherches sont évidemment explorées par des chercheurs à travers le monde, mais pour Francesco Contino, ingénieur à l’UC Louvain et spécialiste en énergie, les batteries du futur se devront avant tout d’être plus durables et réutilisables. "Je pense qu’il faudrait partager les batteries domestiques, comme pour les voitures, dans le futur.", explique Francesco Contino. "De cette manière, on s’assure qu’on utilise tous les matériaux présents dans ces batteries au maximum. Toute recherche qui permet d’aller vers une plus grande flexibilité d’utilisation de ces batteries, le plus longtemps possible, va dans la bonne direction".