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Batteries, chimie et efficacité pour un marché plus durable
Les batteries jouent un rôle crucial dans la transition énergétique dans différents secteurs, leur diffusion étant également soutenue par la baisse des coûts et la part croissante d'électricité générée à partir de sources renouvelables nécessitant de plus en plus de systèmes de stockage.Si le lithium et d'autres matériaux sont concentrés dans quelques territoires, des alternatives doivent être trouvées pour rendre les systèmes de stockage plus efficaces et améliorer la chaîne d'approvisionnement à notre avantage.
En termes de chimie, les batteries actuelles qui utilisent le lithium constituent la grande majorité des batteries utilisées, et reposent également sur l'utilisation de cobalt, de nickel, de manganèse et de graphite. Ces matériaux posent un problème d'approvisionnement car, aujourd'hui, la production et le traitement de ces matériaux sont géographiquement très concentrés en quelques endroits seulement. En 2019, par exemple, la Chine était responsable d'environ 60 % de la production mondiale de cobalt et de terres rares. Actuellement, chaque étape de la production de batteries, de l'extraction des minéraux à l'utilisation de produits chimiques pour fabriquer les composants finaux des batteries, est géographiquement concentrée dans des zones en dehors de l'Europe. D'ailleurs, l'Europe investit d'importantes sommes d'argent pour construire des installations de production de cellules, d'assemblage et de recyclage de batteries afin de devenir un site de production clé. Dans cette direction, l'Institut Fraunhofer, en collaboration avec huit autres instituts de recherche, a développé le concept de jumeau numérique pour la production de cellules de batteries.
Les alternatives au lithium
La dépendance à certains matériaux présents uniquement dans certains territoires stimule l'innovation et les changements de paradigme pour optimiser les technologies existantes et développer de nouvelles solutions de batteries. Dans ce domaine, un autre thème clé est le recyclage et la refabrication des batteries : les opportunités issues de la gestion des batteries usagées commencent déjà à inciter les acteurs traditionnels de la chaîne de valeur à étendre leur expertise à des rôles adjacents.
Les chercheurs, dont ceux du Fraunhofer ISI, se concentrent sur la cathode, en étudiant les batteries lithium-ion associées au nickel, au manganèse et au cobalt. Les recherches visant à remplacer ou à diminuer ces minéraux ont conduit à diverses solutions, notamment les batteries à ions métalliques, à sulfure métallique, à air-métal et à flux redox. Les batteries sodium-ion ont également suscité un intérêt considérable de la part des fabricants car elles ne nécessitent pas de minéraux critiques et coûteux comme le lithium, mais pourraient être produites sur les mêmes lignes de production que les batteries au lithium, avec tous les avantages. Cependant, à ce jour, leur densité énergétique atteint à peine 2/3 de celle des batteries au lithium, ce qui les rend peu attractives pour l'industrie automobile.
Avantages et obstacles
Bien qu'au niveau théorique, les batteries air-métal impliquent l'utilisation d'un métal autre que le lithium, sur le plan pratique, elles présentent plusieurs complications. Une autre combinaison chimique qui a attiré l'attention est le lithium-sulfure en raison de sa haute densité énergétique, mais en raison de sa durée de vie trop courte, elle n'est pas encore concrètement attrayante pour le marché.
Les batteries à électrolyte solide sont des batteries au lithium où des électrolytes solides ou quasi-solides sont utilisés au lieu des électrolytes liquides traditionnels, avec l'objectif d'augmenter la densité énergétique des cellules et leur sécurité. À ce jour, il existe des limitations en termes d'intégration au niveau des packs en raison de pressions de batterie plus élevées. Cependant, les chercheurs s'accordent à soutenir le développement de ces batteries, en particulier pour les applications nécessitant une conduite longue distance, telles que les camions électriques, notamment dans les marchés où l'établissement d'une infrastructure de recharge généralisée ou le remplacement des batteries pourrait être difficile.
