“La batterie oxygène-ion a été découverte par hasard”

Dans une voiture électrique, un ordinateur portable ou un smartphone : les batteries font désormais partie intégrante de notre quotidien. Elles sont également nécessaires aux centrales éoliennes et solaires pour le stockage intermédiaire de l’électricité produite, même si ces types de batteries sont actuellement très coûteux ou n’en sont qu’aux premiers stades de développement. À la recherche d’un tel stockage d’énergie, une équipe de recherche a développé un nouveau type de batterie : la batterie oxygène-ion. Son fonctionnement est similaire aux batteries lithium-ion conventionnelles, où elle peut se régénérer en utilisant l’oxygène de l’air ambiant. Dans une interview avec World of Physics, Alexander Schmid de l’Université technologique de Vienne explique comment fonctionne la nouvelle batterie et à quoi elle pourrait être utilisée.

Monde de la physique : quel type de batterie est actuellement le plus couramment utilisé ?

Alexander Schmid : Selon l’application, il existe différents types de batteries, les batteries lithium-ion étant désormais les plus fréquemment utilisées. Le domaine d’application des batteries lithium-ion comprend désormais les appareils électroniques portables, les véhicules électriques, les systèmes de stockage d’énergie pour les énergies renouvelables ou encore les appareils médicaux. On pourrait presque dire que tous les appareils pouvant être connectés aux prises sont alimentés par celui-ci. Cela fait de la batterie lithium-ion probablement la plus grande innovation dans la recherche sur les batteries. La première batterie lithium-ion commercialement réussie a été développée au début des années 1990. L’élément marquant était avant tout la haute densité énergétique de la batterie. Cela a permis de stocker une énorme quantité d’énergie électrique qui pouvait être transportée en même temps dans un petit espace.

Quel est l’état actuel de la recherche ?

Les scientifiques recherchent toujours de nouveaux types de batteries, car les batteries lithium-ion présentent également un gros problème : elles sont inflammables. En effet, ils contiennent des électrolytes liquides constitués de solvants organiques. Il s’agit d’un risque réel pour la sécurité, c’est pourquoi des alternatives sont recherchées. Certains chercheurs de notre équipe développent également des batteries lithium-ion et travaillent, entre autres, sur des batteries dites à électrolyte solide. Nous avons accidentellement découvert la batterie oxygène-ion.

Comment est-ce arrivé?

En fait, je ne travaille pas directement avec des batteries, mais plutôt avec des piles à combustible. Vers la fin de ma thèse de doctorat, la batterie oxygène-ion était pour moi comme un projet parallèle : par curiosité, nous avons imaginé un concept de batteries en céramique, c’est-à-dire constituées de matériaux inorganiques et non métalliques. Les céramiques sont traditionnellement utilisées dans la recherche sur les piles à combustible. Nous avons donc simplement réutilisé les matériaux que nous utilisions déjà quotidiennement et construit et examiné un prototype d’un nouveau type de batterie en laboratoire.

Qu’ont révélé vos recherches ?

Que ça marche vraiment ! Nous avons d’abord travaillé avec un composé céramique composé de lanthane, de strontium et d’oxyde de fer car ce matériau possède des propriétés très bien étudiées. On pourrait effectivement y stocker de l’électricité. Nous avons donc approfondi le sujet. Il s’est avéré que de nombreux matériaux utilisés pour les piles à combustible dites à oxyde solide peuvent également être utilisés pour la batterie nouvellement développée. Nous avons ensuite testé différentes céramiques et identifié celles qui fonctionnaient le mieux, développant ainsi la batterie oxygène-ion. Ce qui rend la batterie spéciale, c’est la capacité du matériau à absorber et à libérer de l’oxygène.

Dans quelle mesure la batterie oxygène-ion représente-t-elle une évolution par rapport aux batteries lithium-ion largement utilisées ?

En termes de physique sous-jacente, la batterie oxygène-ion fonctionne de manière similaire à une batterie lithium-ion : elle stocke l’électricité grâce à des réactions électrochimiques entre deux électrodes et un électrolyte. Lors de la charge, les particules chargées traversent l’électrolyte de l’anode à la cathode et dans la direction opposée lors de la décharge, créant ainsi un flux continu d’électrons qui fournissent de l’énergie électrique.

Y a-t-il d’autres avantages de la batterie oxygène-ion ?

Oui, car les batteries oxygène-ion sont exclusivement constituées de céramiques d’oxydes, ininflammables. Cela les rend plus sûrs. Un autre problème avec les batteries lithium-ion est qu’elles nécessitent du cobalt pour leur fabrication. Parce que le cobalt est rare et que cela sera particulièrement problématique à l’avenir, lorsque les énergies renouvelables remplaceront, espérons-le, les combustibles fossiles et que d’énormes installations de stockage d’électricité seront nécessaires pour les systèmes éoliens et solaires. Satisfaire la demande avec les seules batteries au lithium sera alors difficile, voire impossible. En revanche, une grande partie du cobalt commercialisé dans le monde est extraite en République du Congo. La situation politique y étant instable, la disponibilité du cobalt n’est pas fiable. En revanche, les éléments utilisés dans la production des batteries oxygène-ion, comme le fer, le manganèse, le chrome, le titane ou le calcium, sont facilement dégradables et abondants.

La batterie se régénère également grâce à l’oxygène de l’air ambiant. Comment cela fonctionne-t-il ?

Les matériaux des batteries lithium-ion et de nombreux autres types de batteries subissent des réactions dites parasites, c’est-à-dire qu’ils réagissent les uns avec les autres de manière imprévue. Les ions se déposent sur les électrodes de la batterie et sont donc éliminés du cycle de charge et décharge. Cela rend la batterie de plus en plus inefficace à long terme. Cela se produit également avec les batteries oxygène-ion, mais – pour faire simple – vous pouvez ensuite recharger la batterie avec de l’oxygène de l’air ambiant. La batterie possède une troisième électrode ouverte à l’air. Au niveau de cette électrode, les atomes d’oxygène absorbent des électrons et réagissent pour former du O chargé négativement.₂ -ions, qui sont ensuite à nouveau disponibles pour le cycle de charge et de décharge.

Dans quels domaines les batteries oxygène-ion pourront-elles être utilisées à l’avenir ?

Les batteries oxygène-ion ne sont pas encore prêtes à être commercialisées, mais elles seront applicables dans de nombreux domaines. Mais il existe également des applications dans lesquelles ils ne constituent pas la solution optimale en raison de leur poids élevé – environ cinq fois celui d’une batterie au lithium – comme les smartphones ou les transports. Mais pour le stockage d’énergie stationnaire, provenant par exemple d’éoliennes et d’énergies solaires privées, le poids de la batterie n’a pas d’importance. Un autre argument en faveur d’une utilisation stationnaire est que la batterie ne fonctionne qu’à des températures comprises entre 200 et 400 degrés Celsius. Pour maintenir cette température, la batterie doit être bien isolée et cela est d’autant plus facile qu’elle est grande. Si la batterie est bien isolée, vous devez la chauffer une fois jusqu’à la température de fonctionnement et n’avez alors besoin que d’une quantité relativement faible d’énergie pour maintenir la température correspondante. Les batteries oxygène-ion seraient particulièrement adaptées pour compenser les fluctuations du réseau, provenant par exemple d’un grand ensemble d’éoliennes ou d’un champ rempli de systèmes solaires. Ici aussi, le poids de la batterie ne joue aucun rôle et c’est un avantage que les batteries soient bon marché et puissent être produites en grande quantité grâce aux matériaux utilisés. Je vois aussi l’avenir de cette invention dans ce domaine : contribuer à faire avancer la transition énergétique.