Comment nous arrivons à la prochaine grande percée dans le domaine des batteries
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Les avions électriques pourraient être l’avenir de l’aviation. En théorie, ils seront beaucoup plus silencieux, moins chers et plus propres que les avions actuels. Les avions électriques ayant une autonomie de 1 000 km (620 miles) sur une seule charge pourraient être utilisés pour la moitié des vols commerciaux actuels, ce qui réduirait les émissions de carbone de l’aviation mondiale d’environ 15 %.
C’est la même histoire avec les voitures électriques. Une voiture électrique n’est pas simplement une version plus propre de sa cousine polluante. C’est, fondamentalement, une meilleure voiture : Son moteur électrique fait peu de bruit et réagit à la vitesse de l’éclair aux décisions du conducteur. Charger une voiture électrique coûte beaucoup moins cher que de payer une quantité équivalente d’essence. Les voitures électriques peuvent être construites avec une fraction de pièces mobiles, ce qui les rend moins chères à entretenir.
Alors pourquoi les voitures électriques ne sont-elles pas déjà partout ? C’est parce que les batteries sont chères, ce qui rend le coût initial d’une voiture électrique beaucoup plus élevé qu’un modèle similaire à essence. Et à moins que vous ne conduisiez beaucoup, les économies sur l’essence ne compensent pas toujours le coût initial plus élevé. En bref, les voitures électriques ne sont toujours pas économiques.
De même, les batteries actuelles n’emballent pas assez d’énergie en poids ou en volume pour alimenter les avions de tourisme. Nous avons encore besoin de percées fondamentales dans la technologie des batteries avant que cela ne devienne une réalité.
Les appareils portables alimentés par batterie ont transformé nos vies. Mais il y a beaucoup plus que les batteries peuvent perturber, si seulement des batteries plus sûres, plus puissantes et plus denses en énergie pouvaient être fabriquées à bon marché. Aucune loi de la physique n’exclut leur existence.
Et pourtant, malgré plus de deux siècles d’étude attentive depuis l’invention de la première batterie en 1799, les scientifiques ne comprennent toujours pas entièrement bon nombre des principes fondamentaux de ce qui se passe exactement à l’intérieur de ces appareils. Ce que nous savons, c’est qu’il y a, essentiellement, trois problèmes à résoudre pour que les batteries transforment véritablement nos vies une fois de plus : la puissance, l’énergie et la sécurité.
Il n’existe pas de batterie lithium-ion à taille unique
Toute batterie comporte deux électrodes : une cathode et une anode. La plupart des anodes des batteries lithium-ion sont en graphite, mais les cathodes sont constituées de différents matériaux, en fonction de l’utilisation de la batterie. Ci-dessous, vous pouvez voir comment différents matériaux de cathode changent la façon dont les types de batteries se comportent sur six mesures.
Le défi du pouvoir
Dans le langage courant, les gens utilisent indifféremment « énergie » et « puissance », mais il est important de les différencier lorsqu’on parle de piles. La puissance est la vitesse à laquelle l’énergie peut être libérée.
Une batterie suffisamment puissante pour faire décoller et maintenir en altitude un avion commercial sur 1 000 km nécessite de libérer beaucoup d’énergie en très peu de temps, notamment lors du décollage. Il ne s’agit donc pas seulement d’avoir beaucoup d’énergie stockée, mais aussi d’avoir la capacité d’extraire cette énergie très rapidement.
S’attaquer au défi de la puissance exige que nous regardions à l’intérieur de la boîte noire des batteries commerciales. Cela va devenir un peu ringard, mais soyez indulgent avec moi. Les nouvelles technologies de batteries font souvent l’objet d’un battage médiatique excessif parce que la plupart des gens ne regardent pas les détails d’assez près.
La chimie de batterie la plus avant-gardiste dont nous disposons actuellement est le lithium-ion. La plupart des experts s’accordent à dire qu’aucune autre chimie ne viendra perturber le lithium-ion avant au moins une autre décennie ou plus. Une batterie lithium-ion est composée de deux électrodes (cathode et anode), d’un séparateur (un matériau qui conduit les ions mais pas les électrons, conçu pour éviter les courts-circuits) au milieu et d’un électrolyte (généralement liquide) pour permettre le flux d’ions de lithium entre les électrodes. Lorsqu’une batterie est en charge, les ions se déplacent de la cathode vers l’anode ; lorsque la batterie alimente quelque chose, les ions se déplacent dans la direction opposée.
Imaginez deux miches de pain tranché. Chaque pain est une électrode : celui de gauche est la cathode et celui de droite est l’anode. Supposons que la cathode soit constituée de tranches de nickel, de manganèse et de cobalt (NMC) – l’une des meilleures de la classe – et que l’anode soit constituée de graphite, qui est essentiellement constitué de feuilles superposées, ou tranches, d’atomes de carbone.
À l’état déchargé – c’est-à-dire après avoir été vidé de son énergie – le pain NMC comporte des ions lithium pris en sandwich entre chaque tranche. Lorsque la batterie se charge, chaque ion de lithium est extrait d’entre les tranches et forcé de se déplacer dans l’électrolyte liquide. Le séparateur agit comme un point de contrôle, garantissant que seuls les ions de lithium passent à travers le pain de graphite. Lorsqu’elle est complètement chargée, la cathode de la batterie ne contient plus d’ions de lithium ; ils sont tous soigneusement pris en sandwich entre les tranches de graphite. Au fur et à mesure que l’énergie de la batterie est consommée, les ions de lithium retournent vers la cathode, jusqu’à ce qu’il n’y en ait plus dans l’anode. C’est alors que la batterie doit être rechargée.
La capacité de puissance de la batterie est déterminée, essentiellement, par la vitesse à laquelle ce processus se produit. Mais il n’est pas si simple d’augmenter la vitesse. Le fait d’extraire trop rapidement les ions de lithium du pain cathodique peut entraîner des défauts dans les tranches et finir par les briser. C’est l’une des raisons pour lesquelles plus nous utilisons notre smartphone, notre ordinateur portable ou notre voiture électrique, plus la durée de vie de leur batterie se dégrade. Chaque charge et décharge fait que la miche s’affaiblit un peu plus.
Diverses entreprises travaillent sur des solutions à ce problème. Une idée consiste à remplacer les électrodes en couches par quelque chose de structurellement plus solide. Par exemple, l’entreprise suisse de batteries Leclanché, vieille de 100 ans, travaille sur une technologie qui utilise le phosphate de fer lithié (LFP), qui a une structure « olivine », comme cathode, et l’oxyde de titanate de lithium (LTO), qui a une structure « spinelle », comme anode. Ces structures gèrent mieux le flux d’ions de lithium dans et hors du matériau.
Leclanché utilise actuellement ses cellules de batterie dans des chariots élévateurs d’entrepôt autonomes, qui peuvent être chargés à 100% en neuf minutes. À titre de comparaison, le meilleur superchargeur Tesla peut charger une batterie de voiture Tesla à environ 50 % en 10 minutes. Leclanché déploie également ses batteries au Royaume-Uni pour le chargement rapide des voitures électriques. Ces batteries sont installées à la station de charge et puisent lentement de petites quantités d’énergie sur une longue période dans le réseau jusqu’à ce qu’elles soient complètement chargées. Ensuite, lorsqu’une voiture accoste, les batteries de la station de recharge rechargent rapidement la batterie de la voiture. Lorsque la voiture part, la batterie de la station recommence à se recharger.
Des efforts comme ceux de Leclanché montrent qu’il est possible de bricoler la chimie des batteries pour augmenter leur puissance. Pourtant, personne n’a encore construit une batterie suffisamment puissante pour fournir rapidement l’énergie nécessaire à un avion commercial pour vaincre la gravité. Des startups cherchent à construire des avions plus petits (pouvant accueillir jusqu’à 12 personnes), qui pourraient voler avec des batteries relativement moins denses en énergie, ou des avions électriques hybrides, où le kérosène fait le gros du travail et les batteries font le roue libre.
Mais il n’y a vraiment aucune entreprise travaillant dans cet espace qui soit proche de la commercialisation. De plus, le type de saut technologique requis pour un avion commercial entièrement électrique prendra probablement des décennies, selon Venkat Viswanathan, expert en batteries à l’université Carnegie Mellon.
Le défi énergétique
Le Tesla Model 3, le modèle le plus abordable de l’entreprise, débute à 35 000 dollars. Elle fonctionne avec une batterie de 50 kWh, qui coûte environ 8 750 dollars, soit 25 % du prix total de la voiture.
Ceci reste étonnamment abordable par rapport à il n’y a pas si longtemps. Selon Bloomberg New Energy Finance, le coût mondial moyen des batteries au lithium-ion en 2018 était d’environ 175 dollars par kWh – contre près de 1 200 dollars par kWh en 2010.
Le ministère américain de l’Énergie calcule qu’une fois que le coût des batteries sera inférieur à 125 dollars par kWh, la possession et l’utilisation d’une voiture électrique seront moins chères qu’une voiture à essence dans la plupart des régions du monde. Cela ne signifie pas que les véhicules électriques l’emporteront sur les véhicules à essence dans tous les créneaux et domaines – par exemple, les camions longue distance n’ont pas encore de solution électrique. Mais c’est un point de basculement où les gens commenceront à préférer les voitures électriques simplement parce qu’elles auront plus de sens économique dans la plupart des cas.
Une façon d’y arriver est d’augmenter la densité énergétique des batteries – pour entasser plus de kWh dans un pack de batteries sans baisser son prix. Le chimiste des batteries peut le faire, en théorie, en augmentant la densité énergétique soit de la cathode, soit de l’anode, soit des deux.
La cathode la plus dense en énergie en voie de disponibilité commerciale est la NMC 811 (chaque chiffre du numéro représente le ratio de nickel, de manganèse et de cobalt, respectivement, dans le mélange). Elle n’est pas encore parfaite. Le plus gros problème est qu’elle ne peut supporter qu’un nombre relativement faible de cycles de vie charge-décharge avant de cesser de fonctionner. Mais les experts prévoient que l’industrie R&D devrait résoudre les problèmes du NMC 811 dans les cinq prochaines années. Lorsque cela se produira, les batteries utilisant le NMC 811 auront une densité d’énergie plus élevée de 10 % ou plus.
Cependant, une augmentation de 10 % n’est pas si importante dans l’ensemble.
Et, alors qu’une série d’innovations au cours des dernières décennies a poussé la densité d’énergie des cathodes toujours plus haut, les anodes sont là où se trouvent les plus grandes opportunités de densité d’énergie.
Le graphite a été et reste de loin le matériau d’anode dominant. Il est bon marché, fiable et relativement dense en énergie, surtout par rapport aux matériaux cathodiques actuels. Mais il est assez faible lorsqu’il est empilé avec d’autres matériaux d’anode potentiels, comme le silicium et le lithium.
Le silicium, par exemple, est théoriquement bien meilleur pour absorber les ions lithium que le graphite. C’est pourquoi un certain nombre de sociétés de batteries essaient de poivrer un peu de silicium avec le graphite dans leurs conceptions d’anodes ; Elon Musk, PDG de Tesla, a déclaré que sa société le fait déjà dans ses batteries lithium-ion.
Une étape plus importante serait de développer une anode commercialement viable faite entièrement de silicium. Mais cet élément présente des caractéristiques qui rendent la chose difficile. Lorsque le graphite absorbe des ions lithium, son volume ne change pas beaucoup. En revanche, une anode en silicium gonfle jusqu’à quatre fois son volume initial dans le même scénario.
Malheureusement, vous ne pouvez pas simplement agrandir le boîtier pour tenir compte de ce gonflement, car l’expansion brise ce que l’on appelle « l’interphase d’électrolyte solide », ou SEI, de l’anode en silicium.
Vous pouvez considérer le SEI comme une sorte de couche protectrice que l’anode crée pour elle-même, de la même manière que le fer forme de la rouille, également connue sous le nom d’oxyde de fer, pour se protéger des éléments : Lorsque vous laissez un morceau de fer nouvellement forgé à l’extérieur, il réagit lentement avec l’oxygène de l’air pour rouiller. Sous la couche de rouille, le reste du fer ne subit pas le même sort et conserve ainsi son intégrité structurelle.
A la fin de la première charge d’une batterie, l’électrode forme sa propre couche de « rouille » – la SEI – séparant la partie non érodée de l’électrode de l’électrolyte. La SEI empêche les réactions chimiques supplémentaires de consommer l’électrode, garantissant que les ions de lithium peuvent circuler aussi facilement que possible.
Mais avec une anode en silicium, la SEI se brise chaque fois que la batterie est utilisée pour alimenter quelque chose, et se reforme chaque fois que la batterie est chargée. Et pendant chaque cycle de charge, un peu de silicium est consommé. Finalement, le silicium se dissipe au point que la batterie ne fonctionne plus.
Au cours de la dernière décennie, quelques startups de la Silicon Valley se sont efforcées de résoudre ce problème. Par exemple, l’approche de Sila Nano consiste à enfermer les atomes de silicium dans une coquille de taille nanométrique avec beaucoup d’espace vide à l’intérieur. De cette façon, le SEI est formé à l’extérieur de la coquille et l’expansion des atomes de silicium se produit à l’intérieur sans que le SEI ne se brise après chaque cycle de charge-décharge. L’entreprise, évaluée à 350 millions de dollars, affirme que sa technologie alimentera des appareils dès 2020.
Enovix, quant à elle, applique une technique de fabrication spéciale pour soumettre une anode 100 % silicium à une énorme pression physique, la forçant à absorber moins d’ions lithium et limitant ainsi l’expansion de l’anode et empêchant le SEI de se briser. La société bénéficie d’investissements d’Intel et de Qualcomm, et elle prévoit également que ses batteries seront intégrées dans des appareils d’ici 2020.
Ces compromis signifient que l’anode en silicium ne peut pas atteindre sa haute densité énergétique théorique. Cependant, les deux entreprises affirment que leurs anodes sont plus performantes qu’une anode en graphite. Des tiers testent actuellement les batteries des deux entreprises.
Le défi de la sécurité
Tous les bricolages moléculaires effectués pour emballer plus d’énergie dans les batteries peuvent se faire au détriment de la sécurité. Depuis son invention, la batterie lithium-ion a causé des maux de tête en raison de la fréquence à laquelle elle prend feu. Dans les années 1990, par exemple, la société canadienne Moli Energy a commercialisé une batterie lithium-métal destinée aux téléphones. Mais dans la réalité, ses batteries ont commencé à prendre feu, et Moli a été contrainte de procéder à un rappel et, finalement, de déposer le bilan. (Certains de ses actifs ont été rachetés par une société taïwanaise et elle vend toujours des batteries lithium-ion sous la marque E-One Moli Energy). Plus récemment, les smartphones Galaxy Note 7 de Samsung, qui étaient fabriqués avec des batteries lithium-ion modernes, ont commencé à exploser dans les poches des gens. Le rappel de produits qui en a résulté en 2016 a coûté 5,3 milliards de dollars au géant sud-coréen.
Les batteries lithium-ion d’aujourd’hui présentent toujours des risques inhérents, car elles utilisent presque toujours des liquides inflammables comme électrolyte. C’est l’une des bizarreries malheureuses de la nature (pour nous, les humains) que les liquides capables de transporter facilement des ions ont aussi tendance à avoir un seuil plus bas pour prendre feu. Une solution consiste à utiliser des électrolytes solides. Mais cela implique d’autres compromis. La conception d’une batterie peut facilement inclure un électrolyte liquide qui est en contact avec chaque partie des électrodes, ce qui lui permet de transférer efficacement les ions. C’est beaucoup plus difficile avec les solides. Imaginez que vous fassiez tomber une paire de dés dans une tasse d’eau. Imaginez maintenant que vous déposez ces mêmes dés dans une tasse de sable. De toute évidence, l’eau touchera beaucoup plus de surface des dés que le sable.
Jusqu’à présent, l’utilisation commerciale des batteries lithium-ion à électrolyte solide s’est limitée à des applications de faible puissance, comme pour les capteurs connectés à Internet. Les efforts visant à mettre à l’échelle les batteries solides – c’est-à-dire ne contenant pas d’électrolyte liquide – peuvent être globalement classés en deux catégories : les polymères solides à haute température et les céramiques à température ambiante.
Polymères solides à haute température
Les polymères sont de longues chaînes de molécules liées entre elles. Ils sont extrêmement courants dans les applications quotidiennes – les sacs en plastique à usage unique sont faits de polymères, par exemple. Lorsque certains types de polymères sont chauffés, ils se comportent comme des liquides, mais sans l’inflammabilité des électrolytes liquides utilisés dans la plupart des batteries. En d’autres termes, ils ont la conductivité ionique élevée comme un électrolyte liquide sans les risques.
Mais ils ont des limites. Ils ne peuvent fonctionner qu’à des températures supérieures à 105°C (220°F), ce qui signifie qu’ils ne sont pas des options pratiques pour, par exemple, les smartphones. Mais elles peuvent être utilisées pour stocker l’énergie du réseau dans des batteries domestiques, par exemple. Au moins deux entreprises – SEEO, basée aux États-Unis, et Bolloré, basée en France – développent des batteries solides qui utilisent des polymères à haute température comme électrolyte.
Céramiques à température ambiante
Au cours de la dernière décennie, deux classes de céramiques-LLZO (oxyde de lithium, de lanthane et de zirconium) et LGPS (sulfure de lithium, de germanium et de phosphore)- se sont révélées presque aussi bonnes pour conduire les ions à température ambiante que les liquides.
Toyota, ainsi que la startup de la Silicon Valley QuantumScape (qui a levé 100 millions de dollars de financement auprès de Volkswagen l’année dernière), travaillent tous deux au déploiement de la céramique dans les batteries lithium-ion. L’inclusion de grands acteurs dans cet espace indique qu’une percée pourrait être plus proche que beaucoup ne le pensent.
« Nous sommes assez proches de voir quelque chose de réel dans deux ou trois ans », déclare Viswanathan de Carnegie Mellon.
A balancing act
Les batteries sont déjà un gros business, et leur marché ne cesse de croître. Tout cet argent attire beaucoup d’entrepreneurs avec encore plus d’idées. Mais les startups dans le domaine des batteries sont des paris difficiles – elles s’essoufflent encore plus souvent que les entreprises de logiciels, qui sont connues pour leur taux d’échec élevé. C’est parce que l’innovation dans les sciences des matériaux est difficile.
Jusqu’à présent, les chimistes des batteries ont constaté que, lorsqu’ils essaient d’améliorer un trait (disons la densité d’énergie), ils doivent faire des compromis sur un autre trait (disons la sécurité). Ce genre de jeu d’équilibre a fait que les progrès sur chaque front ont été lents et semés d’embûches.
Mais avec plus d’yeux sur le problème – Yet-Ming Chiang du MIT estime qu’il y a trois fois plus de scientifiques spécialisés dans les batteries aux États-Unis aujourd’hui qu’il y a seulement 10 ans – les chances de succès augmentent. Le potentiel des batteries reste énorme, mais compte tenu des défis à relever, il vaut mieux considérer chaque affirmation sur les nouvelles batteries avec une bonne dose de scepticisme.