Le monde du stockage d’énergie est en perpétuelle évolution. La stratégie basée essentiellement sur les batteries lithium-ion se profile vers de nouveaux horizons. Aujourd’hui, les nombreuses recherches menées par les scientifiques des quatre coins du monde convergent vers des solutions innovantes, écologiques et durables, pour une performance améliorée. Voici donc un premier aperçu des batteries du futur. Certaines technologies s’annoncent prometteuses.

La batterie au lithium-soufre

La batterie lithium-soufre (Li-S) figure aujourd’hui parmi les premières alternatives à la version lithium-ion classique.

Un matériau abondant et bon marché

La conception de la batterie lithium-soufre ne nécessite plus de cobalt ni de nickel, c’est-à-dire deux éléments à caractère toxique dont l’extraction exige beaucoup d’énergie ainsi qu’une quantité d’eau relativement importante. La batterie Li-S fonctionne tout simplement au soufre. Il s’agit cette fois-ci de la troisième ressource la plus abondante sur terre. Elle est même considérée comme un déchet et le coût d’exploitation est tout à fait accessible.

La batterie Li-S contient des matières actives relativement légères, à savoir le soufre pour l’électrode positive ainsi que le lithium métallique pour l’électrode négative. Avec cette innovation de batterie, la combinaison de ces deux éléments crée une densité d’énergie théorique extrêmement élevée. Pour le même poids, une batterie lithium-soufre est en mesure de stocker jusqu’à cinq fois plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion.

Les avantages et les inconvénients

Dans une batterie Li-ion classique, les structures hôtes des matières actives pendant les processus de charge et de décharge accueillent les ions lithium. Une batterie lithium-soufre ne dispose pas de structure hôte. La décharge consomme immédiatement le lithium de l’anode. Le soufre se transforme ensuite en matériaux soufrés et lithiés.

Malgré ses nombreux avantages, l’innovation des batteries lithium-soufre présente tout de même quelques inconvénients. Le principal défi auquel les chercheurs sont confrontés porte sur sa durée de vie réduite comparée à celle des batteries lithium-ion. En effet, le soufre est un matériau particulièrement réactif. Il se dégrade rapidement pendant les cycles de charge et de décharge. Pour y remédier, les chercheurs mettent en place de nouvelles architectures de cellules ou placent directement d’autres matériaux stabilisateurs à l’intérieur de la batterie.

Les batteries à électrolyte solide

La batterie tout-solide est aujourd’hui considérée comme une innovation majeure dans le domaine du stockage d’énergie. Les batteries Li-ion actuelles comportent un électrolyte liquide. Avec la batterie tout-solide, la diffusion des ions lithium se fait par le biais d’un composé inorganique solide. Certes, la technologie n’est pas tout à fait récente, mais depuis une dizaine d’années, les chercheurs ont réussi à mettre en place de nouvelles familles d’électrolytes solides à forte conductivité ionique similaire à celle des électrolytes liquides.

L’innovation de batterie basée sur électrolyte solide promet une densité énergétique élevée. Fiables et beaucoup plus sécurisés, les accumulateurs ont également une durée de vie plus longue. Contrairement aux électrolytes liquides, les versions solides ne sont pas inflammables en cas de hausse de température. Ensuite, la fabrication des batteries à électrolyte solide privilégie les matériaux innovants à haute tension et à capacité élevée ; ce qui aboutit à une densité plus importante et des structures légères. La réduction de l’autodécharge promet une meilleure durée de vie.

Des batteries et des piles résistantes à la chaleur

Le dégagement de chaleur est l’un des principaux inconvénients de la technologie lithium-ion rechargeable pour voitures électriques. Depuis quelques années, les hausses de température récurrentes et les conditions météorologiques extrêmes remettent en cause la fiabilité et la sécurité des batteries Li-ion.

L’impact de la chaleur sur la batterie

Les températures élevées provoquent un échauffement excessif. En plus de vieillir rapidement, les accumulateurs s’exposent à une réduction de capacité et un risque d’incendie ou d’explosion élevé. Pour rappel, le fonctionnement des batteries lithium-ion se base sur le déplacement des ions entre les électrodes par le biais de l’électrolyte. Les températures élevées produisent des réactions chimiques indésirables, dont la hausse de la pression interne et la formation de gaz. De nombreuses recherches indiquent que les performances et la durée de vie de l’accumulateur diminuent de façon considérable sous une température supérieure à 45 °C.

Des modes de refroidissement performants

De nombreux scientifiques se penchent aujourd’hui dans le développement de nouvelles technologies pouvant assurer la protection des accumulateurs en cas de conditions climatiques extrêmes. Les systèmes de refroidissement avancé par air et par liquide sont notamment en mesure d’éliminer rapidement la chaleur des différents modules de la batterie.

Les chercheurs de la Penn State University optent pour la mise en place d’une feuille de nickel au niveau du pôle négatif. Cette innovation de batterie diminue la température en cas de hausse de chaleur allant jusqu’à environ 60 °C. En plus de gagner en performance, l’accumulateur peut supporter jusqu’à 1 700 cycles de recharge complets. Le chargement se fait en 10 minutes.

Certaines innovations de batterie prévoient un système de contrôle intelligent de la chaleur. Des capteurs et des logiciels dédiés surveillent la température en temps réel et activent automatiquement le processus de refroidissement. En plus de réduire les risques de surchauffe, cette approche prolonge la durée de vie de la batterie.

La batterie au lithium insensible au froid extrême

La vulnérabilité au froid extrême figure parmi les inconvénients des batteries au lithium. En cas de baisse considérable des températures, l’accumulateur stocke moins d’énergie. Le processus de chargement est beaucoup plus lent. La sensibilité au froid provient essentiellement des électrolytes. Les baisses de température ralentissent leur écoulement et freinent le mouvement des ions lithium. Ces derniers atteignent difficilement les électrodes ; ce qui affecte les performances énergétiques de l’accumulateur.

Face à une telle problématique, des chercheurs dirigés par le professeur Xiulin Fan de l’Université du Zhejiang se sont donc penchés sur la piste d’un électrolyte fabriqué avec des solvants de petite taille à faible énergie de solvatation. L’équipe chinoise a donc opté pour une innovation de batterie basée sur le fluoroacétonitrile. Présentant des propriétés similaires à celles des électrolytes classiques, ce type de solvant facilite le déplacement des ions à très basse température. Les tests en laboratoire des prototypes de batterie ont démontré une grande résistance au froid, une conductivité ionique comprise entre -80 et 60 °C ainsi qu’une performance de charge rapide de l’ordre de 80 % en 10 minutes.