Les batteries au lithium-ion sont une technologie révolutionnaire. Leur haute densité d'énergie et de puissance a fait de la voiture électrique une réalité pratique, a permis le stockage sur réseau d'énergie renouvelable et mis des ordinateurs puissants dans la paume de la main. Cependant, s'il y a une chose pour laquelle l'humanité est connue, c'est qu'elle en veut toujours plus.

Des prétendants potentiels au titre de technologie de batterie ultime sont là, mais il faudra un changement majeur pour détrôner le lithium-ion du haut de l'arbre.

Dominant pour une bonne raison

Les batteries lithium-ion ont d'abord été développées par Stanley Whittingham, travaillant chez Exxon, qui cherchait à se diversifier loin du pétrole au milieu des grandes crises énergétiques des années 1970. Au fil des ans, la technologie a été développée davantage, avec le travail de John Goodenough (un superbe nom de pirate informatique si nous en avons déjà entendu un) et Akira Yoshino augmentant les performances avec des matériaux de cathode et d'anode améliorés. La commercialisation a d'abord été réalisée par Keizaburo Tozawa, travaillant chez Sony pour développer une meilleure batterie pour la gamme de caméscopes de la société.

De nombreux packs de batteries automobiles, tels que cette unité Tesla, se composent de milliers de batteries lithium-ion cylindriques similaires à celles couramment utilisées dans les ordinateurs portables.

La batterie rechargeable au lithium-ion possède les attributs idéaux pour une alimentation portable, avec une densité d'énergie élevée et une densité de puissance élevée, ce qui signifie qu'elle peut stocker beaucoup d'énergie et la libérer rapidement pour les applications qui consomment beaucoup de courant. Le faible poids et la puissance élevée ont changé la donne – les technologies où la taille et le poids comptent, comme les drones quadricoptères et les smartphones puissants tout simplement, ne seraient pas pratiques avec des technologies de batterie plus anciennes et plus lourdes.

Au cours des années qui ont suivi, le monde est tombé amoureux des piles au lithium. Différentes chimies abondent, optimisant les batteries pour plus de cycles de recharge, des puissances plus élevées ou un coût inférieur. Dire que la production a monté en flèche ces dernières années est un peu un euphémisme, avec l'avènement de l'électronique grand public portable et la révolution de la voiture électrique fonctionnant presque entièrement sur la technologie des batteries au lithium rechargeables.

Cependant, des défis demeurent. Les voitures électriques ont encore une autonomie quelque peu limitée par rapport à leurs homologues à essence, et les temps de recharge frustrent encore davantage le problème. D'énormes gains ont été réalisés ces dernières années, mais les constructeurs automobiles continuent de rechercher de meilleures performances comme avantage concurrentiel. De plus, alors que les prix ont chuté brutalement au cours des dix dernières années, les batteries au lithium ne sont toujours pas vraiment bon marché. À cela s'ajoute une dépendance à l'égard des minéraux qui peuvent être rares ou difficiles à trouver. Cela a été particulièrement vrai pour le cobalt, ce qui a conduit certains fabricants à explorer des chimies alternatives lithium-ion, et nous commençons à voir des succès dans l'élimination complète du cobalt de l'équation.

Des technologies alternatives peuvent encore contester la domination du lithium dans l’industrie des batteries. Tout candidat aura besoin d'une densité d'énergie et d'une densité de puissance élevées, ainsi que de la capacité de durer des milliers de cycles de charge. De plus, le faible coût, la facilité de fabrication et le fait d'être moins sujet aux pannes catastrophiques sont tous des objectifs que les chercheurs en batteries tentent d'atteindre.

À l'aube de la grandeur?

Le chemin entre le laboratoire et l'usine est long, et de nombreux projets passionnants se heurtent à des problèmes d'ingénierie insolubles bien avant la vente commerciale. Les percées sont exactement cela, le moment où les problèmes difficiles sont soudainement résolus, alors regardons ce qui est potentiellement sur le point de devenir grand:

État solide pour le lithium métal et une meilleure sécurité

La formation de dendrites a longtemps empêché l'utilisation d'anodes au lithium métal dans les batteries Li-Ion. Les chercheurs pensent que les électrolytes à l'état solide peuvent être la clé pour arrêter la formation de dendrite, permettant ainsi l'utilisation du matériau d'anode pour créer des batteries de plus grande capacité.

Les batteries au lithium-ion utilisent des électrolytes liquides de diverses chimies pour modifier les caractéristiques de performance pour des applications particulières. Cependant, remplacer ce liquide par un électrolyte à l'état solide est un sujet de recherche brûlant, car il promet une multitude de gains par rapport aux batteries actuelles.

Beaucoup considèrent l'électrolyte à l'état solide comme la solution qui permettra l'utilisation d'anodes au lithium métal dans les batteries, remplaçant le graphite dans la plupart des applications actuelles. Typiquement, le lithium métal est un matériau d'anode instable en raison de la croissance dendritique provoquée par des réactions chimiques avec l'électrolyte liquide. Si un électrolyte à semi-conducteurs éliminait ce problème, les batteries pourraient utiliser le matériau d'anode au lithium métal le plus performant. Cela permettrait un énorme gain de densité d'énergie, jusqu'à 2,5 fois supérieur aux batteries lithium-ion conventionnelles.

L'électrolyte liquide est également à blâmer pour une grande partie du danger inhérent aux batteries lithium-ion, devenant hautement inflammables, voire explosives, lorsqu'une batterie subit une condition d'emballement thermique. Les batteries à l'état solide peuvent également résoudre ce problème, avec une inflammabilité réduite par rapport aux électrolytes liquides traditionnels.

Il existe encore des obstacles à l'adoption à grande échelle de la technologie des batteries à semi-conducteurs. Les problèmes de conductivité à température ambiante continuent d'entraver la technologie. Des défis de fabrication existent également, de nombreuses conceptions nécessitant l'utilisation de techniques de dépôt sous vide. Quoi qu'il en soit, de nombreuses entreprises investissent de l'argent dans la recherche sur les batteries à semi-conducteurs, Samsung en particulier travaillant dur pour développer la technologie.

Lithium Air poursuit la densité énergétique de l'essence

Les cycles de charge et de décharge d'une batterie lithium-air. Le fait de compter sur l'oxygène atmosphérique donne à la batterie un meilleur rapport puissance / poids, mais les contaminants atmosphériques peuvent causer des problèmes.

Les batteries au lithium-air fonctionnent en utilisant l'oxygène de l'atmosphère comme réactif. L'oxygène donne des électrons au lithium via une cathode de carbone. Théoriquement, de telles cellules pourraient avoir une énergie spécifique de 11 680 Wh / kg, proche de celle de l'essence à 13 000 Wh / kg – dépassant de loin les technologies de batteries contemporaines. En excluant la masse d'oxygène, la densité d'énergie par masse est jusqu'à 10 fois plus élevée que le lithium-ion, ce qui signifie que la technologie serait idéale pour augmenter l'autonomie des véhicules électriques.

La batterie lithium-air est confrontée à une multitude de défis avant de pouvoir être commercialisée avec succès. La stabilité chimique a été un problème des premiers efforts. La poursuite du développement des matériaux de cathode continue de porter ses fruits, mais les meilleurs résultats des tests en laboratoire montrent que les cellules ne durent que deux mois en pratique. L'efficacité de la charge est également faible – seulement 65% de l'énergie injectée pendant la charge est utilisable. De plus, le besoin d'oxygène gazeux comme réactif pose d'autres problèmes. Alors que les tests en laboratoire peuvent utiliser de l'oxygène purifié, l'air atmosphérique contient du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et d'autres contaminants qui peuvent endommager la batterie. Ceux-ci devraient être filtrés dans des conceptions pratiques.

Batteries Flow

Le fonctionnement de base d'une batterie à flux typique. Des types sans membrane sont possibles, en utilisant plutôt un flux laminaire pour s'assurer que les deux liquides se touchent mais ne se mélangent pas excessivement.

Les batteries à flux sont un concept impliquant deux liquides qui sont pompés à travers une membrane, échangeant des ions et générant de l'électricité dans le processus – vous vous souvenez peut-être d'avoir lu l'article de Kristina Panos sur le stockage d'énergie dans l'air liquide il y a quelques semaines à peine, où la technologie est envisagée pour le réseau. espace de rangement.

Comme les batteries à flux reposent sur une charge stockée sous forme liquide, des batteries plus grosses peuvent être créées en construisant simplement des réservoirs plus grands pour les réactifs. La batterie peut être rapidement «rechargée» en remplaçant simplement l'électrolyte, ou en variante, elle peut être régénérée électriquement comme une batterie rechargeable traditionnelle. La mise à l'échelle facile rend la technologie attrayante pour le stockage en réseau, tandis que la possibilité de «faire le plein» rapidement de la batterie résoudrait le problème de la recharge rapide des véhicules électriques.

Malgré leurs avantages, les batteries à flux présentent certains inconvénients qui les ont empêchées de toute utilisation sérieuse. Le stockage et le pompage de liquides sont beaucoup plus complexes sur le plan mécanique que les batteries traditionnelles, qui peuvent généralement être traitées comme des morceaux solides de matière qui peuvent simplement nécessiter un peu de refroidissement de temps en temps. Cette complexité et cet équipement supplémentaire réduisent la densité de puissance et rendent les batteries à flux moins pratiques pour les applications de transport. La plupart des recherches se concentrent plutôt sur le stockage d'énergie pour les applications domestiques et au niveau du réseau.

Conclusion

Il faudra peut-être encore un certain temps avant que nous voyions un changement majeur dans la technologie des batteries dans la plupart de nos appareils. Il est probable que les batteries à semi-conducteurs qui reposent toujours sur la chimie du lithium seront le principal candidat qui remaniera la domination du lithium-ion dans le secteur des transports, avec un potentiel à suivre dans des appareils tels que les ordinateurs portables et les smartphones. Les batteries au lithium-air et à flux ont d'autres obstacles à surmonter avant d'atteindre la viabilité.

Cependant, le développement de la technologie lithium-ion existante se poursuit par les universitaires et l'industrie du monde entier, en particulier en raison de la demande dans le secteur automobile. Avec une capacité et des performances qui s'améliorent chaque année, nous pourrions continuer à voir le lithium-ion classique rester la batterie de choix pendant un certain temps encore.

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