Les batteries à la recherche de l’efficacité énergétique

batterie au lithium , efficacité énergétique , voitures électriques , pile Si elles font aujourd’hui partie de notre quotidien, c’est après de nombreuses expérimentations que les batteries électriques ont pu voir le jour. De l’invention de la première pile par le savant italien Alessandro Volta en 1799 à celle de la première batterie rechargeable par le physicien français Gaston Planté, plus d’un siècle et demi s’est écoulé. L’histoire de cette technologie a été ponctuée par les travaux successifs de William Cruikshank – qui inventa la batterie électrique en 1802 –, de William Grove ou encore Robert Bunsen, afin de rendre les batteries moins dangereuses pour leurs utilisateurs, moins coûteuses et toujours plus performantes. Mais qu’appelle-t-on exactement une batterie ? Quelles sont les techniques les plus prometteuses pour augmenter leur efficacité énergétique ?

Une pile ou une batterie est un accumulateur qui permet de stocker de l’électricité, à travers des composants métalliques et chimiques, pour pouvoir l’utiliser ultérieurement. Son fonctionnement repose sur une réaction chimique entre les composants. Une batterie est constituée de trois éléments : une anode (le pole négatif), une cathode (le pôle positif) et un électrolyte (solide ou liquide, permettant le passage du courant entre ces deux pôles). Lorsque la batterie fonctionne, les électrons passent d’un pôle à l’autre grâce aux ions. Une fois tous les ions transférés, la batterie est « à plat ». On appelle « oxydation » la réaction par laquelle l’anode cède des électrons et « réduction » la réaction par laquelle la cathode les récupère.

Le type de métal et de composés chimiques constituent l’ADN de la batterie, et déterminent son efficacité énergétique

  • La batterie Plomb-acide est la plus ancienne. Elle se compose de deux bandes de plomb et de caoutchouc plongées dans de l’eau acide. Elle est encore fréquemment utilisée dans l’automobile. Ses principaux atouts résident dans son coût et sa capacité à être rechargée à tout moment sans perte de performance.
  • La batterie au Nickel existe en plusieurs déclinaisons dont les plus utilisées sont la batterie Nickel-Cadmium (NiCd), la batterie nickel métal hydride (NiMh) et la batterie Nickel-Zinc (NiZn). La première est de moins en moins utilisée à cause du caractère polluant du cadmium, qui est interdit par la Commission Européenne depuis 2006 (Directive 2006/66/CE). La technologie NiMh, commercialisée à partir de 1990, possède une valeur énergétique 30% supérieure à la batterie NiCd. En fin de vie, elle est par ailleurs moins polluante que ses deux sœurs, ce qui lui vaut d’être traditionnellement utilisée dans les voitures hybrides ou électriques. Si elle a une durée de vie inférieure à celle de la NiCd, elle est plus performante et peu sujette à « l’effet mémoire » (phénomène physico-chimique qui ralentit la capacité de restitution d’énergie de l’accumulateur). La batterie NiZn  se distingue avant tout par son coût peu élevé et sa faible toxicité. Elle souffre toutefois d’un cycle de vie (nombre de charges/décharges possible) plus limité.
  • La batterie au lithium est la technologie actuelle la plus aboutie. Elle se divise en deux grandes familles : la batterie lithium métallique, qui possède une électrode négative en lithium métallique et la batterie Lithium-ion, qui utilise un autre composé dans les deux électrodes afin de conserver l’état ionique du lithium. Si la batterie Lithium métallique est réputée dangereuse, la batterie lithium-ion possède de nombreux avantages, notamment celui de fournir une masse d’énergie plus importante et de ne pas avoir d’effet mémoire. Cependant, son coût reste aujourd’hui élevé.

Le secteur automobile, principal demandeur de batteries puissantes, autonomes et fiables

Avec le développement des véhicules électriques et hybrides, la performance et la sécurité sont devenues cruciales pour les fabricants. La batterie sodium-chlorure de nickel système zebra, composée de chlorure de sodium (c’est-à-dire du sel), de nickel et de fer, est une solution existante intéressante. Cependant son fonctionnement n’est optimal que si ses composants sont soumis à des températures élevées, de l’ordre de 270 à 350 degrés. Cela limite son utilisation dans l’automobile, les démarrages « à froid » l’usant prématurément.

Pour répondre aux enjeux inhérents aux voitures électriques, plusieurs projets sont expérimentés afin de produire des batteries toujours plus efficaces et économiques. Les batteries au lithium devraient notamment voire leur capacité de stockage d’ions augmenter grâce à l’oxyde de manganèse (LiMnO2) et à l’oxyde de nickel (LiNiO2). Elles pourraient passer d’une puissance de 150 Wh/kg à 350 voire 500 Wh/kg.

Si les batteries au lithium ont fait leurs preuves, les chercheurs envisagent cependant de se passer de ce composant. La dernière avancée en date consiste en l’utilisation d’enzymes issues de la biomasse, pour produire des électrodes déjà chargées électro chimiquement. Les super condensateurs sont également une alternative : fonctionnant grâce à l’électricité statique, ils ont une durée de vie presque illimitée et utilisent des matériaux plus basiques et peu coûteux. Toutefois, leur densité électrique (donc leur puissance) est encore trop faible pour qu’ils puissent être déployés dans les appareils que nous utilisons aujourd’hui.

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