Le lithium est-il encore l'avenir des batteries ?

L'avenir des batteries

La question de la l'avenir des batteries n'est pas aussi simple que de se demander "comment la technologie évolue-t-elle ? à quoi ressembleront les batteries en 2030 ? Comment cela fonctionnera-t-il ? Plus on y réfléchit, plus cela devient intéressant. r Quelles seront les batteries les plus populaires ?" Si nous essayons de devenir un "futuriste de la batterie", nous sommes confrontés à des problèmes tels que "la croissance démographique", "l'émergence des mégapoles" et "l'évolution des tendances en matière de fécondité". La seule chose dont je puisse être absolument sûr, c'est que les batteries de l'avenir seront différentes de celles que nous utilisons aujourd'hui.

Tendance générale de l'avenir des batteries

La première question à se poser est la suivante : à quoi ressemblera la société de demain et comment affectera-t-elle l'évolution des technologies de conduite, des normes réglementaires, des différences régionales, etc. Au début des années 2000, j'ai vu les gouvernements d'Europe, du Japon, des États-Unis, de la Chine et de nombreux autres pays procéder à des ajustements majeurs de leurs normes en matière d'économie de carburant et d'émissions de dioxyde de carbone en faveur de véhicules plus efficaces. Cette tendance a en fait commencé dans les années 1970.

La population mondiale continuant d'augmenter, les gouvernements ont toujours besoin de nouvelles solutions énergétiques propres. L'autre facteur à prendre en compte est l'endroit où se concentrera la croissance démographique. D'après toutes les projections actuelles, la majeure partie de cette croissance se fera dans les grandes villes. Même à un rythme légèrement inférieur à celui des décennies précédentes, la population mondiale continue de croître, avec des mégapoles de plus de 20 millions d'habitants qui devraient continuer d'émerger, et la technologie des batteries lithium-ion devra continuer d'évoluer pour répondre à cette tendance de croissance.

L'ampleur et la concentration de la croissance démographique entraîneront des changements radicaux dans de nombreuses technologies pour faire face à l'épuisement des ressources naturelles et aux émissions, aux gaz à effet de serre et aux effets de la pollution. Par exemple, les fonctions publiques telles que les compagnies d'électricité, qui ont toujours été fortement centralisées par l'État, évolueront vers un système de production et de stockage plus décentralisé.

Aujourd'hui, l'électricité est produite à grande échelle en brûlant du charbon, de l'énergie nucléaire et de l'énergie hydroélectrique, et elle est acheminée vers les consommateurs par l'intermédiaire du réseau. Mais à l'avenir, l'électricité sera plus probablement produite et stockée localement. Nous pourrions trouver des toits recouverts de panneaux solaires, des éoliennes dans les parties communes, etc., ce qui nécessiterait des systèmes de batteries pour distribuer l'électricité de manière uniforme à chaque foyer d'une mégalopole.

Le secteur des transports ne manquera pas la transition technologique. Une tendance intéressante et croissante est que de moins en moins de jeunes aspirent à posséder une voiture, et qu'à la place, beaucoup utilisent des services de covoiturage et vivent dans des zones dotées de transports publics. Au lieu d'acheter une voiture qui reste inutilisée la majeure partie de la journée et de la nuit, ils ne la paient que lorsqu'ils en ont besoin. Dans certaines régions du Japon, nous observons également une tendance au "transport personnel", qui entraînera un changement majeur dans la manière dont les consommateurs utilisent leurs véhicules.

Le reste du monde souhaite imiter les tendances observées dans les villes japonaises, probablement parce que le Japon est plus densément peuplé que la plupart des autres régions du monde. La croissance démographique ralentissant et devenant même négative, les villes japonaises à forte population vieillissent et cherchent des moyens de répondre aux besoins des populations plus âgées. Bien sûr, nous ne pouvons pas ignorer les marchés en croissance de la Chine et de l'Inde, où la possession d'une voiture est un symbole de statut social et qui continueront à connaître une forte croissance.

Mais comme la demande de voitures augmente rapidement, les mégapoles souffriront d'une pollution élevée et d'espaces de stationnement limités. L'évolution la plus récente dans le domaine des transports a été l'émergence des véhicules à conduite autonome. À mesure que ces véhicules seront introduits en grand nombre, ils continueront à faire progresser les technologies auxiliaires qui leur sont associées.

Tendances technologiques de l'avenir des batteries

Malheureusement, la technologie des piles n'a pas évolué conformément à la loi de Moore. La loi de Moore a été énoncée par Gordon Moore, l'un des fondateurs d'Intel, en 1965 : "À prix constants, le nombre de transistors que l'on peut loger sur un circuit intégré doublera et la performance doublera environ tous les 18 mois. En d'autres termes, chaque dollar de puissance informatique fera plus que doubler tous les 18 mois. "

Cette loi révèle la vitesse de progression des technologies de l'information. Elle s'est avérée très exacte dans l'industrie des semi-conducteurs, mais ne s'applique malheureusement pas aux batteries. Si l'on remonte à 1991, lorsque les batteries lithium-ion ont été introduites sur le marché civil, on constate que la capacité n'augmente que de 5 à 6 % par an. La technologie des batteries n'a pas pratiquement doublé chaque année.

Revenons à la question posée au début de cet article : à quoi ressemblera l'avenir des batteries en 2030 ? Comment la technologie actuelle des batteries évoluera-t-elle pour répondre à ces demandes croissantes ? Existe-t-il vraiment une technologie "révolutionnaire" ou "révolutionnaire" ?

Malheureusement, nous avons trop longtemps abusé de l'expression "percée technologique". En ce qui concerne les améliorations, il s'agit de développements naturels plutôt que de percées minimales. Réfléchissons à l'expression "technologie révolutionnaire" et à ce qu'elle signifie réellement pour l'avenir des piles. Quand une technologie peut-elle être considérée comme une percée ? L'apparition d'une technologie révolutionnaire entraîne souvent un changement complet ou l'abandon de la technologie existante.

L'automobile a complètement détruit le marché des chevaux et des bogheis et a fini par les remplacer complètement. Il n'a fallu que quelques années pour que l'ordinateur personnel remplace presque complètement la machine à écrire. Le téléphone a remplacé le télégraphe et le téléphone portable a pratiquement remplacé le téléphone fixe en quelques années seulement. Ainsi, lorsqu'une technologie supplante et surpasse la technologie qui l'a précédée, il s'agit d'une percée technologique.

De ce point de vue, les batteries lithium-ion constituent-elles une percée technologique ? Pas vraiment, elles ne remplacent ni les batteries au plomb ni les moteurs à combustion interne (du moins pas à l'heure où nous écrivons ces lignes). Mais s'agit-il d'une technologie complémentaire ? Bien sûr, car elle offre une amélioration significative par rapport aux systèmes hybrides actuels.

Les batteries lithium-ion possèdent deux propriétés qui pourraient en faire une technologie véritablement révolutionnaire : la densité d'énergie et la densité de puissance. La technologie actuelle des batteries lithium-ion ne fournit qu'un dixième de la puissance de l'essence ou du kérosène, ce qui signifie qu'avec la chimie actuelle des batteries lithium-ion, la puissance de la batterie seule ne permet pas d'atteindre l'autonomie d'un véhicule fonctionnant au pétrole - cela pourrait-il changer ?

Le problème de la densité de puissance est similaire à celui de la densité d'énergie. Pour remplacer les moteurs à essence, la technologie des batteries du futur doit être plus petite tout en augmentant la puissance de la batterie au même niveau que les véhicules à carburant liquide.

Dans le même temps, nous devons tenir compte d'un autre problème : le coût. Même si quelqu'un devait concevoir une technologie de batterie capable de fournir la même quantité d'énergie qu'un véhicule à essence, il ne s'agirait pas d'une solution viable pour l'avenir des batteries qui gagnerait la faveur du marché de masse si les coûts des batteries ne diminuaient pas au fur et à mesure que l'énergie augmentait. Dans l'industrie, il est probable que nous assistions à une optimisation des coûts grâce à un certain degré de normalisation et à une augmentation de la production. Nous constatons qu'un certain degré de normalisation apportera certainement des avantages à la structure des coûts. Mais la norme doit également être suffisamment souple pour permettre à la technologie de s'améliorer et d'évoluer avec elle.

Du point de vue de la construction automobile, une fois qu'une technologie est introduite dans un véhicule, elle dure de cinq à dix ans, ce qui correspond à la durée de vie approximative d'un système automobile normalisé. Qu'est-ce que cela signifie ? Cela signifie que les voitures électriques commercialisées aujourd'hui utilisent des batteries fabriquées avec une technologie vieille de trois à cinq ans.
L'industrie des alimentations portables contribuera également à stimuler l'innovation technologique, car l'électronique personnelle devient de plus en plus petite, de plus en plus fine et même portable, de sorte que les alimentations portables sont les premiers à adopter certaines des technologies de batterie avancées qui progresseront en même temps que les alimentations portables.

Tendances de développement de la technologie des piles du futur

Quels changements dans la technologie des batteries feraient des batteries lithium-ion une véritable percée ? Les systèmes de batteries continueront sans aucun doute à progresser, mais s'agira-t-il d'une véritable percée ? Il est difficile de répondre à cette question. Le lithium est déjà le métal le plus léger du tableau périodique. Il n'y a donc pas beaucoup d'options pour la recherche au-delà des techniques basées sur le lithium. Il est donc possible que l'avenir des piles ne passe pas par le remplacement du lithium, mais par d'autres matériaux.

Les batteries lithium-ion conventionnelles comportent essentiellement trois parties qui peuvent être améliorées : une cathode, une anode et un électrolyte. En étudiant ces trois parties, les chercheurs visent à améliorer la tension en circuit ouvert disponible et la densité énergétique des batteries lithium-ion, ainsi qu'à améliorer la sécurité et la durée de vie des batteries.

Commençons par l'anode. Les matériaux anodiques à base de silicium et d'étain ont fait l'objet d'une grande attention ces dernières années en raison de leur capacité spécifique élevée et de leur promesse d'améliorer la densité énergétique des batteries. Bien qu'il soit théoriquement possible d'augmenter la densité énergétique jusqu'à 300% ou plus en utilisant des négatifs de silicium ou d'étain, les augmentations réelles ne représentent souvent qu'un tiers de cette valeur, mais cela pousse toujours l'énergie spécifique des batteries lithium-ion à des niveaux qui sont compétitifs par rapport aux carburants liquides.

Toutefois, ces deux matériaux souffrent d'une durée de vie courte en raison du taux d'expansion volumique élevé de la feuille d'électrode au cours du cycle de charge-décharge. Mais cela ne signifie pas que nous devrions les abandonner. Des efforts sont en cours pour résoudre le problème, notamment en utilisant la technologie des nanomatériaux, le graphite, le graphène ou d'autres matériaux composites ou recouverts de silicium ou d'éléments en étain, qui peuvent amortir de manière significative l'expansion du volume des matériaux.

Nous avons remarqué que les appareils électroniques personnels deviennent de plus en plus petits, minces et portables, et c'est ce type de technologie avancée qui commence à s'appliquer à l'industrie de l'alimentation électrique portable.

Par rapport au transport et au stockage de l'énergie, ces applications requièrent une durée de vie moins longue des systèmes de batteries, ce qui constitue une bonne opportunité pour le développement et l'essai de ces solutions de batteries. Je pense qu'à mesure que ces nouvelles technologies d'anode continuent à se développer, elles finiront par remplacer partiellement les matériaux d'anode actuels à base de graphite.

Les matériaux de la cathode font également l'objet d'améliorations progressives. Par exemple, différents produits chimiques sont combinés ou mélangés afin de tirer parti des avantages respectifs des différents matériaux. Toutefois, compte tenu du niveau actuel de la recherche, il y a peu de chances que des progrès significatifs soient réalisés à l'avenir dans le domaine des piles.

Des changements progressifs seront également observés dans l'électrolyte et le diaphragme des futures batteries. L'électrolyte est essentiel pour améliorer la tension en circuit ouvert des batteries lithium-ion. À l'heure actuelle, de nombreuses tentatives ont été faites sur les additifs d'électrolyte, et un grand nombre d'études ont été rapportées sur de nouveaux électrolytes, qui pourraient être plus sûrs que la technologie d'additifs actuelle. Les diaphragmes font également l'objet d'une attention particulière, mais la quasi-totalité de cette attention est axée sur l'amélioration de la sécurité des batteries.

Nombreux entreprises de batteries lithium-ion commencent à utiliser des membranes revêtues de céramique parce qu'il a été démontré qu'elles sont plus perméables à l'électrolyte que les membranes conventionnelles en POLYacrylate-polyéthylène et qu'elles fonctionnent de manière cohérente et efficace à des températures plus élevées.

Pourrions-nous voir d'autres types d'améliorations technologiques qui entraîneraient une véritable transformation de l'avenir des batteries et des piles au lithium-ion ? L'une des nouvelles technologies les plus intéressantes est sans doute celle des batteries à l'état solide. Les batteries à semi-conducteurs n'utilisent pas d'électrolytes liquides et l'un de leurs avantages est leur rapport énergétique élevé.

Par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles, les batteries à semi-conducteurs peuvent réduire la quantité de liquide collecté et ne contiennent pas de membranes. En outre, les batteries à l'état solide devraient être plus sûres car elles ne contiennent pas d'électrolytes liquides inflammables et susceptibles de fuir. Toutefois, la recherche et le développement des batteries à semi-conducteurs n'en étant qu'à leur stade initial, l'application des batteries lithium-ion à semi-conducteurs se limite pour l'instant à l'ordre de grandeur du milliampère-heure. Si ces cellules peuvent être mises à l'échelle avec succès, elles pourraient devenir compétitives pour des applications à plus grande échelle.

La batterie lithium-air est également un nouveau système de batterie au stade de la recherche. Les batteries lithium-air utilisent une anode en lithium métal, connectée à une couche d'électrolyte solide qui est "couplée électromécaniquement" à l'oxygène de l'air. Elles peuvent offrir une densité énergétique très élevée, des courbes de décharge très plates, une utilisation pratiquement illimitée tant qu'il n'y a pas d'exposition à l'eau et au dioxyde de carbone dans l'air, et on s'attend à ce qu'elles présentent une série d'avantages, notamment un faible coût et un respect de l'environnement. Cependant, les batteries lithium-air sont également confrontées à de sérieux défis, le plus important étant leur capacité de production d'énergie limitée.

Au cours des deux dernières décennies environ, les piles à combustible ont fait des progrès significatifs et ont reçu beaucoup d'attention. Des micropiles à combustible, des piles à combustible pour l'automobile et de très grandes piles à combustible sont déjà sur le marché. Les piles à combustible, qui sont essentiellement des générateurs, font double emploi avec les batteries lithium-ion dans de nombreuses applications. Si l'infrastructure et le coût de l'alimentation en combustible sont résolus, les piles à combustible pourraient remplacer une partie du marché des batteries lithium-ion.

Les condensateurs, y compris les condensateurs à double couche et les supercondensateurs, constituent une autre technologie de stockage de l'énergie en plein essor. Historiquement, ces technologies n'ont été considérées comme adaptées qu'à des besoins d'énergie explosifs extrêmement courts et de forte puissance. Les recherches actuelles visent à augmenter la densité énergétique des condensateurs, les rendant ainsi plus compétitifs par rapport aux batteries conventionnelles. En outre, la fabrication des condensateurs étant très similaire à celle des batteries lithium-ion, on s'attend à ce que les fabricants de batteries ajoutent la technologie des condensateurs à leurs produits.

Conclusion

La technologie des batteries lithium-ion présente un grand potentiel d'amélioration et de perfectionnement des performances actuelles des batteries. Les coûts des batteries continueront à baisser à mesure que la demande augmentera, et les améliorations technologiques des performances des batteries mentionnées plus haut contribueront à réduire les coûts. Si la technologie des batteries fonctionne bien, la prochaine génération de batteries sera bientôt disponible. Toutefois, les auteurs estiment qu'il sera difficile d'atteindre l'objectif de coût de $100 - $150 /kWh fixé par des organisations telles que le ministère américain de l'énergie et l'Advanced Battery Alliance.

Actuellement, le Batterie lithium-ion 18650 est produite en masse à un rythme de près de 700 millions de cellules par an, et son prix a atteint son niveau le plus bas dans la fourchette $170 - $220 /kWh. Comment améliorer la technologie pour rendre la nouvelle grande batterie suffisamment abordable pour répondre aux exigences du ministère de l'énergie ? Étant donné que le volume de la batterie n'est pas le même que le volume du matériau actif de la batterie, il est important de transformer la technologie de la batterie pour en réduire le coût.

La croissance des mégapoles favorisera l'utilisation de technologies plus propres pour la production et le stockage de l'énergie. Les systèmes de stockage d'énergie basés sur des batteries sont susceptibles de devenir un élément important de la fourniture d'énergie ininterrompue à ces villes. Les systèmes de transport seront contraints d'adopter l'électrification pour réduire leur impact sur l'air urbain.