{"id":996,"date":"2018-11-15T12:11:14","date_gmt":"2018-11-15T11:11:14","guid":{"rendered":"http:\/\/pierrepapon.fr\/?p=996"},"modified":"2018-11-15T12:11:14","modified_gmt":"2018-11-15T11:11:14","slug":"les-batteries-une-technique-cle-pour-la-transition-energetique","status":"publish","type":"post","link":"http:\/\/pierrepapon.fr\/?p=996","title":{"rendered":"Les batteries : une technique cl\u00e9 pour la transition \u00e9nerg\u00e9tique"},"content":{"rendered":"

Le stockage \u00e9lectrochimique de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 dans des batteries est, depuis plus d\u2019un si\u00e8cle, la technique la plus couramment utilis\u00e9e dans les v\u00e9hicules thermiques et \u00e9lectriques.<\/strong> Il est aussi exp\u00e9riment\u00e9 sur des installations stationnaires pour \u00e9quiper des centrales solaires photovolta\u00efques ou des fermes \u00e9oliennes\u00a0; le stockage sous forme d\u2019hydrog\u00e8ne produit par \u00e9lectrolyse de l\u2019eau pour alimenter une pile \u00e0 combustible est une alternative possible mais peu d\u00e9velopp\u00e9e, le rendement global de l\u2019op\u00e9ration de stockage est inf\u00e9rieur \u00e0 50%. L\u2019expansion pr\u00e9vue du parc de voitures \u00e9lectriques a lanc\u00e9 une v\u00e9ritable \u00ab\u00a0course\u00a0\u00bb aux batteries \u00e9lectriques (cf. V\u00e9ronique Lamblin, \u00ab La course aux batteries \u00e9lectriques \u00bb, Futuribles Vigie<\/em>, 16 octobre 2017 www.futuribles.com<\/a> ) dans laquelle la batterie lithium-ion\u00a0est actuellement le cheval de bataille des constructeurs de v\u00e9hicules \u00e9lectriques mais aussi ceux de t\u00e9l\u00e9phones portables et d\u2019ordinateurs (cf. J-M. Tarascon, \u00ab Les batteries sont le c\u0153ur d\u2019un monde connect\u00e9 \u00bb, La Recherche<\/em>, No 536, p. 4, juin 2018). Renault \u00e9quipe son r\u00e9cent mod\u00e8le de Zo\u00e9 (cf. photo)avec une batterie qui lui donne une autonomie de 400 km tandis que le mod\u00e8le S de Tesla affiche une autonomie de 500 km. Dans les batteries \u00e9lectrochimiques, lithium-ion par exemple (constitu\u00e9e par un ensemble de cellules), l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 est stock\u00e9e sous forme chimique,<\/strong> le courant \u00e9lectrique, des \u00e9lectrons, provoque des r\u00e9actions en circulant entre l\u2019anode et la cathode de la batterie (les ions lithium charg\u00e9s positivement circulant en sens inverse \u00e0 travers un \u00e9lectrolyte).\u00a0 Les constructeurs ont trois objectifs<\/strong> : –\u00a0 augmenter la densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique d\u2019une batterie (elle est au maximum de 250 Wh\/kg actuellement pour la batterie lithium-ion) – augmenter sa dur\u00e9e de vie en supportant un plus grand nombre de cycles de charge-d\u00e9charge (700 \u00e0 1500 cycles au maximum pour les batteries lithium-ion selon les conditions d\u2019utilisation) \u2013 diminuer son prix (celui du kWh stockable de la batterie lithium-ion a chut\u00e9 de 1000 $ en 2010 \u00e0 environ 150 $\/kWh en 2017). Ils doivent \u00e9galement tenir compte des \"\"<\/a>conditions de s\u00e9curit\u00e9 (\u00e9viter un incendie). Force est de constater que les \u00e9lectrodes des batteries mobilisent des m\u00e9taux<\/strong> (notamment le lithium et le cobalt) dont les ressources sont forc\u00e9ment limit\u00e9es, la disponibilit\u00e9 des m\u00e9taux, le\u00a0 poids et l\u2019encombrement des batteries (celles pouvant donner une grande autonomie aux v\u00e9hicules, 500 km, sont encore trop lourdes et trop volumineuses) et leur co\u00fbt sont trois param\u00e8tres cl\u00e9s sur lesquels il faut jouer (cf. K. Turcheniuk et al. \u00ab\u00a0Ten years left to redesign lithium-ion batteries\u00a0\u00bb, Nature, <\/em>vol. 559, 26 July 2018, p. 467).<\/p>\n

 <\/p>\n

\u00a0 Les progr\u00e8s ont \u00e9t\u00e9 relativement lents sur ces trois fronts<\/strong> et les efforts portent en priorit\u00e9 sur les mat\u00e9riaux et leurs structures. Les ions lithium sont intercal\u00e9s dans la structure des \u00e9lectrodes\u00a0: du graphite dans les anodes et des oxydes m\u00e9talliques pour les cathodes (en g\u00e9n\u00e9ral des oxydes d\u2019aluminium, de cobalt et de nickel, ou des oxydes dans lesquels le mangan\u00e8se remplace l\u2019aluminium). Une batterie avec un assemblage de cathodes pesant 100 kg contient de 6 \u00e0 12 kg de cobalt et de 36 \u00e0 48 kg de nickel. Si \u00e0 moyen terme, dix-vingt ans, l\u2019approvisionnement en cobalt ne pose pas de probl\u00e8me majeur, il n\u2019en sera sans doute pas de m\u00eame avec une production de voitures \u00e9lectriques qui d\u00e9passerait les 10-15 millions d\u2019unit\u00e9s\/an\u00a0; le cobalt est un m\u00e9tal relativement co\u00fbteux (mais son prix a chut\u00e9 depuis un an), avec une production de minerais limit\u00e9e (environ 150\u00a0000 tonnes\/an) qui \u00e9tait assur\u00e9e \u00e0 56% par la R\u00e9publique D\u00e9mocratique du Congo en 2015, la Chine produisant la majeure partie du m\u00e9tal (cf. G. Pitron, La guerre des m\u00e9taux rares<\/em>, Les liens qui lib\u00e8rent, 2018, et P. Papon \u00ab\u00a0Des m\u00e9taux strat\u00e9giques pour la transition \u00e9cologique\u00a0\u00bb, Futuribles<\/em> No 425\u00a0, juillet-ao\u00fbt 2018, p. 116, www.futuribles.com<\/a> ). Observons que la Nouvelle Cal\u00e9donie est \u00e9galement productrice de cobalt associ\u00e9 \u00e0 son importante production de minerai de nickel ce qui est un atout pour la France.<\/strong><\/p>\n

\u00a0\u00a0 A terme il faudra donc envisager un recyclage syst\u00e9matique du cobalt<\/strong> des batteries apr\u00e8s usage si l\u2019on pas trouv\u00e9 d\u2019alternative \u00e0 ce m\u00e9tal. Des cathodes avec des phosphates de fer et de lithium en sont une, mais les batteries se d\u00e9chargent plus rapidement. Une autre possibilit\u00e9, encore au stade du laboratoire, serait d\u2019utiliser des cathodes constitu\u00e9es d\u2019un m\u00e9lange de fluorures de fer et de silicium, leur densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique serait th\u00e9oriquement sup\u00e9rieure \u00e0 800 Wh\/kg mais leur temps de charge est encore trop long et leur stabilit\u00e9 doit \u00eatre am\u00e9lior\u00e9e. L\u2019incorporation de silicium aux anodes augmenterait fortement la capacit\u00e9 de stockage des batteries (Tesla utilise ce type d\u2019anodes dans ses batteries). Une autre perspective serait de remplacer le lithium<\/strong> \u00a0(le plus l\u00e9ger des m\u00e9taux, exploit\u00e9 notamment \u00e0 partir de gisements des lacs les Andes) dans une batterie par un autre m\u00e9tal, le magn\u00e9sium, le sodium et le zinc car si la production de voitures \u00e9lectrique s\u2019emballait les r\u00e9serves de lithium seraient insuffisantes; les performances de ces batteries sont int\u00e9ressantes mais elles n\u2019ont pas d\u00e9pass\u00e9 le stade du laboratoire (le nombre de cycles charge\/d\u00e9charge qu\u2019elles peuvent subir \u00e9tant un point critique). Toutefois, en France le \u00ab\u00a0R\u00e9seau sur le stockage \u00e9lectrochimique des batteries\u00a0\u00bb, dont font partie le Cnrs, le Cea et des industriels, a mis au point une batterie sodium-ion qui pourrait supporter au minimum 2000 cycles, sa dur\u00e9e serait donc sup\u00e9rieure \u00e0 celle de son homologue au lithium, sa densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique serait inf\u00e9rieure mais elle a l\u2019avantage de pouvoir \u00eatre charg\u00e9e rapidement (CNRS \u201cUne start-up pour des batteries de plus en plus rapides \u00bb, communiqu\u00e9 de presse, 27 novembre 2017). Des couples Lithium-air<\/strong> (on produit et on dissocie des oxydes ou des peroxydes de lithium dans la batterie, avec une des \u00e9lectrodes en lithium m\u00e9tallique) sont envisag\u00e9s<\/strong>.\u00a0\u00a0Leur int\u00e9r\u00eat est de pouvoir \u00ab\u00a0mobiliser\u00a0\u00bb deux ou quatre \u00e9lectrons par mol\u00e9cule (au lieu d\u2019un seul pour le lithium) leur densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique serait trois \u00e0 quatre fois celle de la batterie lithium-ion et donnerait \u00e0 une voiture \u00e9lectrique une autonomie comparable \u00e0 celle de l\u2019essence, mais ce syst\u00e8me a l\u2019inconv\u00e9nient de fonctionner \u00e0 150 \u00b0C (l\u2019utilisation du lithium m\u00e9tallique posant aussi des probl\u00e8mes de s\u00e9curit\u00e9), les travaux sont, l\u00e0 encore, au stade de la R&D ainsi que sur les couples zinc-air (S. Feng et al. \u00ab\u00a0Hot lithium-oxygen batteries charge ahead\u00a0\u00bb, Science<\/em>, vol. 361, p. 758, 24 August 2018, www.sciencemag.org<\/a>) .<\/p>\n

La dur\u00e9e de vie des batteries lithium-ion est souvent limit\u00e9e par la formation de dendrites sur l\u2019anode<\/strong> (un filament m\u00e9tallique qui se forme \u00e0 sa surface) qui, en grandissant, peuvent atteindre la cathode et provoquer un court-circuit qui l\u2019endommage et diminue sa dur\u00e9e de vie, voire d\u00e9clenche un incendie. Des chercheurs de l\u2019Institut polytechnique Rensselaer aux Etats-Unis ont trouv\u00e9 une parade consistant \u00e0 envoyer par intermittence des impulsions \u00e9lectriques qui, en chauffant les dendrites, les fondent et les d\u00e9truisent ; ils ont d\u00e9montr\u00e9 l\u2019efficacit\u00e9 de cette technique sur une batterie lithium-soufre, il reste \u00e0 l\u2019appliquer \u00e0 d\u2019autres batteries (A. Mukhopadhyay et al. \u201cLi metal battery, heal thyself\u201d, Science<\/em>, vol. 359, no 6383, 30 March 2018, p. 1463, www.sciencemag.org<\/a>).<\/p>\n

Le couple lithium-soufre, une autre option<\/strong>, semble avoir r\u00e9alis\u00e9 une perc\u00e9e importante, annonc\u00e9e r\u00e9cemment par une start-up britannique Oxis Energy, qui a ouvert une petite usine pilote \u00e0 Abingdon (R.F. Service, \u00ab Lithium-sulfur batteries poised for leap \u00bb, Science, vol. 359, No 6380, March 69 2018, p.1080, www.sciencemag.org<\/a> ). Dans cette fili\u00e8re on remplace dans la cathode de la batterie lithium-ion classique les m\u00e9taux qui pi\u00e8gent les ions lithium par du soufre qui est l\u00e9ger et peu cher (on \u00e9vite d\u2019utiliser le cobalt un m\u00e9tal \u00ab\u00a0critique\u00a0\u00bb)\u00a0; on all\u00e8ge ipso facto la batterie dont la densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique serait le double de celle de la batterie lithium-ion. Toutefois, cette batterie ne peut supporter qu\u2019une centaine de cycles ce qui est un s\u00e9rieux handicap, et destinerait son usage \u00e0 l\u2019\u00e9quipement de drones et d\u2019engins sous-marins, voire d\u2019appareils militaires (elle est test\u00e9e par Airbus sur le drone \u00e0 tr\u00e8s haute altitude Zephir). Le soufre a l\u2019inconv\u00e9nient s\u00e9rieux d\u2019\u00eatre un mauvais conducteur de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9, autrement dit, il ne facilite pas le transfert des \u00e9lectrons aux ions \"\"<\/a>lithium dans la cathode. En immergeant le soufre dans du graphite (ou dans des couches de graph\u00e8ne) qui est un excellent conducteur et en enrobant la cathode dans un film de polym\u00e8re pour \u00e9viter la migration de polysulfures qui empoisonnent l\u2019anode, on pourrait atteindre une densit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique de 500 Wh\/kg. Si sa durabilit\u00e9 \u00e9tait augment\u00e9e, elle serait un concurrent s\u00e9rieux pour la batterie lithium-ion. La fili\u00e8re sodium-soufre est une\u00a0seconde option<\/strong>, \u00e9tudi\u00e9e depuis longtemps et actuellement test\u00e9e pour des batteries stationnaires sur des sites de centrales solaires ou \u00e9oliennes (notamment par EDF \u00e0 l\u2019\u00eele de la R\u00e9union avec une batterie de 1 MW et au Japon, cf.photo). Les \u00e9lectrodes sont constitu\u00e9es de sodium et de soufre fondus et sont s\u00e9par\u00e9es par une c\u00e9ramique en alumine. Elle a l\u2019inconv\u00e9nient de fonctionner avec du sodium \u00e0 haute temp\u00e9rature (150-300\u00b0C), mais ceci ne constitue sans doute pas un inconv\u00e9nient majeur pour une installation de ce type si elle est isol\u00e9e. La pile \u00e0 hydrog\u00e8ne fonctionnant \u00e0 tr\u00e8s haute temp\u00e9rature (600-1000\u00b0C) avec des mat\u00e9riaux qui sont des oxydes solides, de nickel notamment, et qui ne n\u00e9cessite pas l\u2019utilisation\"\"<\/a> du platine comme catalyseur est aussi une option pour le stockage stationnaire.<\/p>\n

Le perfectionnement des batteries et la mise au point de nouvelles fili\u00e8res (sans lithium) constituent un enjeu scientifique et industriel majeur.<\/strong> Un effort de R&D \u00e0 long terme est indispensable, il est pilot\u00e9 en France par le \u00ab R\u00e9seau sur le stockage \u00e9lectrochimique des batteries \u00bb. \u00a0La batterie lithium-ion qui est perfectible peut certes tenir la t\u00eate de la course pendant plusieurs ann\u00e9es et s\u2019il est pr\u00e9matur\u00e9 d\u2019annoncer des\u00a0 ruptures, les progr\u00e8s r\u00e9cents montrent que les jeux ne sont pas encore faits dans les laboratoires. Une strat\u00e9gie industrielle suppose \u00e9galement une politique mini\u00e8re<\/strong> d\u2019approvisionnement en m\u00e9taux \u00ab\u00a0critiques\u00a0\u00bb que la France, comme l\u2019Europe et contrairement \u00e0 la Chine, a mise aux oubliettes, cette carence est un handicap pour l\u2019avenir de la fili\u00e8re des batteries.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Le stockage de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 est un point de passage oblig\u00e9 pour la transition \u00e9nerg\u00e9tique car il est indispensable de stocker l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 sur un site de production par les fili\u00e8res renouvelables (\u00e9olien et solaire) qui sont des sources intermittentes, en particulier pour pouvoir l\u2019utiliser aux heures de pointe. Les batteries \u00e9lectrochimiques sont \u00e9galement une technique incontournable pour l\u2019alimentation \u00e9lectrique des moteurs des v\u00e9hicules \u00e9lectriques. Quelles sont les perspectives de ces techniques ? C\u2019est une question sur laquelle il est utile de faire le point.<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":184,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/996"}],"collection":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=996"}],"version-history":[{"count":1,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/996\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":999,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/996\/revisions\/999"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/184"}],"wp:attachment":[{"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=996"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=996"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"http:\/\/pierrepapon.fr\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=996"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}