Les batteries électriques: alliées cruciales de la transition énergétique

Il y a peu de sujets aussi brûlant que les batteries. Vilipendées parce qu’elles peuvent s’enflammer et qu’on ne saurait pas les recycler, elles sont aussi une partie indispensable de la transition écologique: c’est une méthode de stockage d’électricité avec un très haut rendement. Néanmoins, pour comprendre le rôle qu’elles auront et pourraient avoir, il faut se poser des questions complexes: ne consomment-elles pas trop de métaux ? Conviennent-elles à tous les usages ? Quelles sont les technologies ? Quels sont les risques ? Quelles sont les innovations ?

Nous allons répondre ici à ces questions. Nous allons aborder:

1. Les grandes lignes du fonctionnement des batteries
2. Les batteries lithium-ion, qui dominent actuellement le marché
3. Les autres technologies matures ou obsolètes
4. Les problèmes des batteries, notamment en termes de sécurité.
5. Les innovations en matière de batteries, comme le développement des batteries « à flux redox ».

I. Les batteries en général

Voyons le fonctionnement des batteries, leur prix et les grandes lignes des pistes d’amélioration.

Le principe de fonctionnement des batteries

La première pile fut inventée vers la fin de l’année 1799 par Alessandro Volta. On retient néanmoins souvent la date de 1800, année où il communique son mémoire présentation invention à la Royal Society, où il est lu le 26 juin. Sa pile était un empilement de disques de zinc et de cuivre séparés par un feutre imbibé d’eau salée.

Le fonctionnement de la pile de volta était le suivant: l’oxydation du zinc libérait un ion Zn2+ et 2 électrons. Le cuivre, néanmoins, ne réagissait pas avec ces électrons, qui vont en fait réagir avec l’eau contenue dans le tissu imbibé. La réaction est alors une électrolyse de l’eau, produisant du dihydrogène: 2H2O + e- => 2HO- + H2. Si vous touchiez le haut et le bas de la colonne, le courant passait par vous.

C’est le principe fondamental des batteries : un flux d’électrons et un flux d’ions, l’énergie chimique est transformée en énergie électrique (et réciproquement).

Ici, l’énergie chimique est fixe au début. Pour les batteries, elle est « acquise »: le fait de la charger va générer une réaction chimique, qui ira en sens inverse lors de la décharge.

Prix et production

Les batteries ont longtemps eu un problème: elles sont lourdes. Cela les a longtemps laissé les véhicules électriques au rang de gadgets. Les batteries lithium-ion ont changé cela, pouvant stocker une bonne quantité d’énergie par unité de poids. Leur prix a diminué de 97% depuis leur commercialisation, en 1991.

Les batteries pour véhicules sont estimés à une moyenne de 156$/kWh en 2019. (IAE 2020, p.29) Selon Bloomberg, il est passé de 1100$ en 2010 à 137$/kWh en 2020, envisageant même que leur prix puisse descendre jusque 58$/kWh en 2030.

Les innovations possibles

Les pistes d’améliorations sont multiples. Il est tout d’abord possible d’améliorer les cellules elles-mêmes: on peut choisir la réaction chimique qui aura lieu et les matériaux des électrodes, les méthodes de fabrication des cellules et d’autres aspects d’ingénierie. On peut également améliorer la gestion de la chaleur, ou encore les « packs » que les cellules vont former. On pense également aux systèmes de gestion des batteries (Battery management, System, BMS), qui optimisent le comportement de la batterie en opération. Les plus modernes étendent la durée de vie des cellules Lithium-ion de 9 à 17.5%. (IAE 2020, p.45)

En termes d’applications, ce sont les batteries automobiles qui sont l’objet du plus de brevets. Ils sont passé en 2000 d’une dizaine par an, contre ~80 pour les applications portables, à 736 par an en 2018, contre 298 pour les applications portables. (IAE 2020, p.47)

II. Batteries lithium-ion, la principale technologie

Commercialisée pour la première fois par Sony en 1991, les batteries lithium-ion dominent le marché de l’électronique portable.

Elles dominent également l’innovation en la matière: en 2018, 2547 brevets relatifs aux batteries concernaient des cellules Li-ion et seulement 462 concernaient d’autres types de cellules. (IAE 2020, p.6) Ces batteries représentaient 93% des systèmes de stockage stationnaires d’énergie, hors STEP en 2018. (ibid, p.32)

Le principe des batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion reposent sur l’échange d’ions lithium entre une cathode (composée de divers alliages à base de lithium et de cobalt) et une anode (souvent en graphite) séparées par un électrolyte. En phase de décharge, l’ion Li⁺ va migrer vers la cathode, générant un courant électrique, et inversement en charge.

Au milieu, un électrolyte liquide ou en gel, souvent à base d’hexafluorophosphate de lithium (LiPF
₆), facilite le trajet.

Les raisons de leur succès sont essentiellement qu’elles peuvent stocker beaucoup d’énergie par unité de poids (densité d’énergie, 100-265Wh/kg); ont une bonne puissance massique (300-1500W/kg); s’autodéchargent peu (<10%/an);

Les variations dans les batteries lithium-ion

Il y a plusieurs types de batteries lithium ion. Par exemple, les cathodes peuvent utiliser différents mélanges :

• Lithium et oxide de cobalt (LiCoO₂, LCO): haut voltage, densité énergétique, stabilité et coûts. Elles sont utilisées dans l’électronique portable.
• Lithium nickel manganese cobalt oxide (LiNi_xMn_yCo_zO₂, NMC): haut voltage, densité énergétique et haute capacité. Moins bonne stabilité thermique et chimique et le cobalt est cher. Elles sont utilisées dans les véhicules électriques et l’électronique portable.
• Lithium nickel cobalt aluminium oxide (LiNiCoAlO₂, NCA): haute densité énergétique, haute capacité, mais moins bonne sécurité. Elles sont utilisées dans les véhicules électriques et l’électronique portable.
• Lithium et oxide de manganèse (LiMn₂O₄, LMO)
• Lithium et phosphate de fer (LiFePO₄, LFP). Les matériaux sont moins chers, elles ont une bonne durabilité, haute densité de puissance et une bonne sécurité. Plusieurs grandes entreprises, Apple, Tesla et Volkswagen notamment, ont annoncé leur intérêt pour ce type de batteries. Elles sont déjà utilisées par Tesla.

Idem pour les anodes:

• Lithium – oxyde de titane (LTO) : bonne sécurité, longue durée de vie, charge/décharge rapide, faible densité énergétique, faible capacité, faible voltage. Elles sont utilisées dans les batteries stationnaires et les petits véhicules électriques.
• Carbone (graphite): faible coût, bons voltage, densité d’énergie et stabilité, mais mauvaises performances en charge rapide à basse température. Largement utilisé.
• Silicone. (IAE 2020, p.68) Le silicone a des aspects énergétiques intéressants (capte 9 fois plus d’ions lithium que le graphite et a une meilleure densité énergétique), mais il est peu durable, notamment parce qu’il s’étend quand il absorbe des ions lithium. C’est une piste explorée par Tesla.

L’IAE estime que ces batteries vont atteindre une densité de l’ordre de 275Wh/kg. (2020, p.29)

Un autre axe d’innovation important est l’utilisation d’électrolyte solide. En effet, les électrolyte liquides ou en gel, utilisés actuellement dans les batteries lithium-ion, ont tendance à poser un risque d’incendie. Le nombre de brevets sur ce sujet es en augmentation constante, étant passé de 6 en 2000 à 36 en 2010, puis 211 en 2018. (IAE 2020, p.71)

III. Autres et anciennes technologies matures

Si les batteries lithium-ion se sont imposées, il y a d’autres axes qui ont existé ou qui subsistent.

Batterie Zebra (Sodium-Chlorure de nickel)

Les batteries Zebra (Zeolite Battery Research Africa), combinant sodium, chlore et nickel, ont été populaires à la fin des années 90, pour remplacer dans les voitures la technologie nickel – cadmium (NiCd), qui ont d’ailleurs été interdites en raison de leur dangerosité dans les années 2000, par la directive européenne 2002/95/CE.

L’équivalence est la suivante : 2Na + NiCL2 <=> 2NaCl + Ni. Le voltage est de 2.58V à 300°C.

Ces batteries ont une grande capacité énergétique et un bon rendement, mais elles fonctionnent à haute température (de l’ordre de 300 °C) ce qui pose des problèmes, notamment de durée de vie.

Leur densité est de l’ordre de 90-120Wh/kg. Parmi les rares entreprises utilisant cette technologie, il y a un fabricant suisse, Innovenergy, qui met en avant l’intérêt écologique de l’utilisation de matériaux communs non dangereux. Il reconnait néanmoins que ces batteries « sont très chères parce qu’elles ne sont pas fabriquées dans des pays à bas coûts et ne bénéficient pas des économies d’échelle liées à des volumes de production élevés. »

IV. Les problèmes des batteries

La sécurité

Les installations de batteries stationnaires en Grande-Bretagne ont notamment été qualifiées de « bombes à retardement ». En effet, un incendie pourrait rapidement se propager d’une batterie à l’autre et on pourrait notamment craindre des émanations toxiques. En ce sens, un incendie dans l’Illinois avait nécessité l’évacuation d’un village voisin en 2021. Une batterie stationnaire Tesla avait pris feu en Australie. En 2020, un container avait pris feu en France.

Plus inquiétant, la batterie lithium ion d’un scooter électrique rangé à l’intérieur aurait explosé le 31 décembre 2021 et ravagé la pièce où il se trouvait.

Enfin, le problème de sécurité le plus célèbre est sans doute celui du smartphone Samsung Galaxy Note 7, qui entrainait l’explositon de la batterie lithium-ion.

L’IRSN a publié un récapitulatif sur les batteries au lithium, concernant surtout les particuliers:

• Risque électrique : électrisation ou arc électrique en cas de court-circuit de la batterie ou lors des opérations de déconnexion de la batterie.
• Risque chimique : exposition à des électrolytes dangereux, des électrodes renfermant des oxydes toxiques, par exemple en cas d’emballement thermique de la batterie ou, dans un autre contexte, lors du recyclage de batteries.
• Risque incendie – explosion suite à un dysfonctionnement. En effet, les électrolytes sont souvent combustibles ou inflammables et le « lithium ainsi que certains de ses alliages réagissent violemment avec l’humidité de l’air. » L’énergie contenue dans la batterie, si elle perd son « carcan », va se diffuser et favoriser l’incendie. (IRSN)

Les piles et batteries au lithium sont en outre classées « dans la réglementation transport matières dangereuses », leur transport et stockage est donc strictement encadré. (IRSN) La toxicité du lithium a, en outre, fait envisager en 2022 à la Commission européenne de le classer sa toxicité dans la catégorie « 1A » en raison de sa toxicité reproductive, suis à un avis de l’ECHA en ce sens.

Le problème des matériaux

Notez que le lithium n’est pas le seul métal qui serait mis sous tension avec le développement des batteries.

En 2019, la production mondiale de lithium est de 77 kt. Une tonne de lithium peut être obtenue par :

• le recyclage de 28 t de batteries, 
• l’extraction de 250 t de minerai,
• l’extraction de 750 t de saumure.

En 2018, 60 % du lithium disponible au niveau mondial sert à la fabrication des batteries

https://www.inrs.fr/metiers/energie/utilisation-batteries-lithium.html

Une batterie NMC 622, par exemple, contient surtout du cuivre (17%), une solution électrolyte (15%) et de l’aluminium (8%). Les cathodes, qui représentent 31% du poids, sont composées à 16% de manganese, 55% de nickel, 10% de lithium et 19% de cobalt. Les anodes représentent 22% du poids et seraient en graphite. (IAE 2020, p.49)

Le cobalt est problématique, tant pour l’impact environnemental et social que pour le prix. Les constructeurs automobile notamment tentent de réduire son utilisation.

Le prix du lithium avait explosé en 2022, ayant été multiplié par plus de 5, néanmoins, il faut savoir que le lithium n’est pas un métal rare. Le problème réside davantage dans son insuffisante exploitation. La France, par exemple, dispose d’importantes ressources en lithium. (BRGM) Il y en a également en Allemagne.

La recyclabilité

Les « principaux modes de traitement des batteries au lithium sont l’hydrométallurgie et la pyrométallurgie. » (IRSN)

En 2018, 193 kt de déchets de piles et accumulateurs déclarés collectés.

Actuellement en France, moins de 10 % des batteries au lithium sont recyclées.

https://www.inrs.fr/metiers/energie/utilisation-batteries-lithium.html

Prix et échelle des batteries stationnaires

Enfin, il y a un problème plus fondamental pour les batteries: leur prix et leur échelle. Un projet récent l’illustre bien: une ferme de batteries de stockage d’électricité destinée à être couplée à une installation photovoltaïque a été lancée récemment. L’installation d’une capacité de 900MWh occupera 16 hectare et pourra libérer au plus 409 MW. Cette capacité est l’énergie produite par un réacteur nucléaire français en une heure. Ce serait la plus grande au monde. Cela pose une question: pourquoi ne pas construire à la place un réacteur nucléaire ?

C’est une question qui va devenir d’autant plus aiguë que se développent les petits réacteurs nucléaires modulaires de 4e génération, qui sont non seulement plus flexible, mais aussi d’une sécurité extraordinaire.

Les batteries stationnaires auront une place importante dans la transition écologique, mais leur rôle sera toujours d’aplanir les pics et les creux, elles sont exclues pour le stockage au-delà de quelques jours ou semaines et, surtout, pour le stockage saisonnier, qui est le vrai challenge des énergies intermittentes.

V. Les batteries du futur

Les besoins en batteries vont croissants tant en raison du développement des véhicules électriques que pour un nouvel usage: les batteries stationnaires. En effet, les énergies intermittentes se développant, des dispositifs de stockage d’électricité à court, moyen et long terme sont nécessaire.

Ainsi, de nombreuses innovations sont développées pour améliorer les batteries existantes, que ce soit pour l’usage mobile ou pour l’usage stationnaire.

Les batteries lithium-air

Les batteries lithium-air ou lithium oxygène utilisent l’oxygène de l’air pour fonctionner. La cathode est en carbone poreux et l’anode en lithium. Lorsqu’elle se charge, . A l’inverse, lorsqu’elle se décharge, des ions lithium (Li⁺) migrent et se combinent à l’oxygène pour former du peroxyde de lithium (Li₂O₂) sur la cathode. En d’autres termes, l’électricité empêche le lithium de s’oxyder.

Cette technologie est l’objet de beaucoup d’intérêt, car ses batteries seraient beaucoup moins lourdes et volumineuses que celles au lithium-ion. En effet, en théorie elles pourraient atteindre 3.5 kWh/kg ! Bien sûr, nous en sommes encore loin. Un groupe japonait aurait développé en 2022 une batterie lithium-air pouvant stocker 500Wh/kg.

L’un des problèmes avec cette technologie est son instabilité. Des chercheurs sud coréens (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) auraient notamment développé en 2020 des nanoparticules capables de la stabiliser. Il y a aussi des problèmes de « contamination ». En effet, les autres composants de l’air peuvent réagir et produire, par exemple, du LiOH ou du Li₂CO₃. Le péroxyde de lithium lui-même peut « encrasser » la cathode et poser problème. Des revêtements sont développés pour contrer ces mécaniques. (Wu et Yu 2019)

Batteries sodium-ion

Le principe des batteries sodium-ion se rapproche de celui des batteries lithium-ion, mais utilise du sodium, beaucoup plus commun et moins cher. Leurs avantages seraient d’avoir une bonne puissance spécifique et de se charger très vite. Leur désavantage est une moindre capacité de stockage par unité de poids.

Cet axe est développé par la startup française Tiamat, mais ausi par le géant chinois CATL, qui a annoncé en 2021 une batterie sodium ion se chargeant très vite (15 minutes pour se charger à 80%), une bonne tolérance au froid (conserve 90% de sa capacité à -20°C) et avec une densité énergétique de 160 Wh/kg.

Batteries à flux redox (redox flow batteries)

Les batteries à flux redox ou « à électrolyte circulant » ou « redox flow batteries » sont des batteries très spéciales: les cathodes et anodes à proprement parler sont une matrice poreuse relativement neutre. La substance « active » de chaque pôle est deux solutions électrolytiques (on parle d’anolyte et de catholyte), qui vont être injectées à partir de réservoirs. Au milieu, une membrane échangeuse de protons (comme pour les piles à combustibles PEM) sépare les deux.

Elles ont plusieurs avantages: elles sont modulaires (on peut facile remplacer des pièces), ont des économies d’échelles et peuvent se recharger instatanément en cas de besoin (se comportant ainsi un peu comme une pile à combustible). En outre, les électrolytes servent en même temps de caloporteur et facilitant la régulation de la température. Leurs inconvénients sont la tension relativement faible, la faible densité énergétique et le besoin de pompes pour faire circuler l’électrolyte, ce qui réduit le rendement.

Elles sont donc particulièrement adaptées au stockage stationnaire, leur capacité de stockage d’énergie étant surtout limité par la taille de leurs réservoirs. De plus, elles permettent un stockage longue durée.

Il y a plusieurs variantes. Des batteries n’utilisent que du vanadium, reposant sur les réactions « V3+ +e- <=> V2+ » à l’anolyte et « VO2+ +H20 <=> VO2+ + 2H+ +e-«  à la catholyte. La densité massique est de l’ordre de 15-25Wh/kg. (Lourenssen et al. 2019)

Cette réaction délivre une tension de 1.26V, mais le coût et la disponibilité du vanadium sont un frein.

D’autres batteries utilisent du zinc et du bromure. La réaction à l’anolyte est « Zn <=> Zn2+ + 2e-«  et « Br2 + 2e- <=> 2Br-«  à la catholyte. C’est notamment la solution retenue par Redflow.

Diverses recherches

• Les batteries polypeptidiques. https://www.enerzine.com/une-nouvelle-batterie-polypeptidique-recyclable-sans-metal-qui-se-degrade-a-la-demande/34189-2021-05

• IAE 2020, Innovation in Batteries and Electricity Storage, https://www.iea.org/reports/innovation-in-batteries-and-electricity-storage
• Fordham et Magill Allison, Safety of Grid Scale Lithium-ion Battery Energy Storage Systems, https://www.researchgate.net/publication/352158070_Safety_of_Grid_Scale_Lithium-ion_Battery_Energy_Storage_Systems
• IRSN, Les batteries au lithium, Connaître et prévenir les risques, 2021 https://www.inrs.fr/media.html?refINRS=ED%206407
• EIA, « Solar power and batteries account for 60% of planned new U.S. electric generation capacity », https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=51518#
• BRGM, Ressources métropolitaines en lithium et analyse du potentiel par méthodes de prédictivité, rapport BRGM/RP-6821-FR, décembre 2018
• Feixiang Wu, Yan Yu, Toward True Lithium-Air Batteries, Joule, Volume 2, Issue 5, 2018, Pages 815-817, ISSN 2542-4351, https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.04.019. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118301806)
• G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, and W. Wilcke, « Lithium−Air Battery: Promise and Challenges« , The Journal of Physical Chemistry Letters, 20101 (14), 2193-2203 DOI: 10.1021/jz1005384
• Kyle Lourenssen, James Williams, Faraz Ahmadpour, Ryan Clemmer, Syeda Tasnim, Vanadium redox flow batteries: A comprehensive review, Journal of Energy Storage, Volume 25, 2019, 100844, ISSN 2352-152X, https://doi.org/10.1016/j.est.2019.100844. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X19302798)
• Jean-Jacques Samueli et Jean-Claude Boudenot, « L’invention de la pile électrochimique par Volta », Bibnum [En ligne], Physique, mis en ligne le 01 septembre 2008, consulté le 30 janvier 2023. URL : http://journals.openedition.org/bibnum/719