Recherche urgente d’un remplacement pour les batteries au lithium | Technologie

L’utilisation d’éléments tels que le lithium, le cobalt et le nickel pour la fabrication de batteries implique une dépendance à l’égard de matériaux rares (et donc coûteux) toxiques dont l’extraction et le traitement posent de nombreux problèmes environnementaux ; Deux millions de litres d’eau sont nécessaires pour extraire 1 000 kilos de lithium. Les chercheurs recherchent de toute urgence des substituts abondants, renouvelables, biodégradables, sûrs et peu coûteux et à faible impact environnemental. La solution est peut-être proche : le sodium et le calcium, deux éléments abondants qui sont étudiés pour prévenir La demande de lithium va être multipliée par 60 en deux décennies, selon les prévisions de l’UE.

À la prolifération imparable des appareils domestiques et portables s’ajoutent les deux plus grands défis : l’électrification de la mobilité et le stockage de l’énergie renouvelable pour fournir une alimentation continue. “Il n’y a pas assez d’ions lithium, cobalt et nickel pour répondre aux besoins de chacun”, déclare John Abou-Rjeily, chercheur à la société Tiamat Energy, issue de la Centre National de la Recherche Scientifique de France (CNRS).

Ce docteur en Physique et Chimie des Matériaux recherche, d’après ce qu’il publie Horizon, comme alternative au sodium, l’un des éléments chimiques les plus abondants dans la croûte terrestre et dont le traitement et l’utilisation sont, contrairement au lithium, plus sûrs et moins chers. Au contraire, cela nécessite plus de volume, c’est pourquoi les développements actuels ne sont pas encore adaptés aux petits appareils.

Ils ne peuvent pas non plus rivaliser avec l’autonomie que les systèmes de stockage actuels apportent aux voitures électriques. Mais ils pourraient servir d’alternatives sur des trajets plus courts, majoritaires. « Même si je ne défierais jamais la portée de 500 kilomètres des batteries lithium-ion, ce type de sodium-ion pourrait être plus compétitif sur de plus petites distances. Ils pourraient être moins chers pour les courtes et moyennes distances en voiture, explique Abou-Rjeily.

Des chercheurs des universités de technologie Chalmers (Suède) et du Delaware (États-Unis) vont dans le même sens, selon une étude publiée dans Énergie. « Il y a une tendance à exiger une batterie très grosse. Mais selon les recherches, en général, un réservoir légèrement plus petit, avec une autonomie inférieure à celle d’un réservoir d’essence, est suffisant, puisque le seul moment où vous auriez besoin d’une plus grande autonomie est pour un voyage de six heures ou plus, auquel cas , le conducteur pouvait recharger en déplacement. On insiste trop sur la nécessité d’une très longue autonomie, ce qui conduit à une augmentation du prix du véhicule et à une plus grande utilisation des ressources pour les voitures électriques », explique Frances Sprei, professeur à Chalmers.

Pour ce docteur en Energie et Environnement, ce changement de mentalité est nécessaire pour adapter les installations de recharge là où les gens passent le plus de temps : à la maison et au travail. Sprei regrette qu’au contraire de nombreux pays européens se concentrent sur le réseau de recharge sur les routes et les pistes.

Cette simple modification de la perception des besoins favoriserait davantage le sodium comme alternative, puisqu’elle permettrait de le déployer dans les foyers et les lieux de travail comme systèmes de stockage d’énergie à partir de sources renouvelables. Magdalena Graczyk-Zajac, professeur à l’Université technique de Darmstadt en Allemagne et membre du projet européen, travaille dans ce sens. SIMBAqui conclut sa première phase en juin prochain.

Vous pourriez conduire la voiture gratuitement pendant huit ou neuf mois par an

Magdalena Graczyk-Zajac, professeur à l’Université technique de Darmstadt

Le chercheur s’engage à stocker l’énergie captée par les panneaux photovoltaïques domestiques dans une batterie domestique rechargeable sodium-ion. Cela permettrait d’alimenter les maisons et de recharger les véhicules électriques de ses résidents avec une réduction significative des coûts. « Vous pourriez conduire la voiture gratuitement huit à neuf mois par an », dit-il. Le prototype est déjà en test en laboratoire.

Une partie, l’anode, est constituée de carbone dur, qui peut être obtenu à partir de bois ou d’autres déchets biologiques. Pour la cathode, on teste le blanc de Prusse, un composé chimique issu d’un pigment bleu du même nom, mais avec plus de sodium et riche en fer, l’un des métaux les plus abondants.

Le centre de recherche basque CIC energiGUNE, a son propre développement dans ce domaine : une anode en sodium métallique d’une épaisseur de seulement sept microns (70 fois plus fine que les anodes actuelles) obtenue grâce à un processus physique d’évaporation. “Cette avancée”, selon ce centre, “ouvre la porte à la fabrication de batteries flexibles à semi-conducteurs avec une fine anode de sodium, une alternative plus sûre, moins chère et plus petite aux batteries actuelles à électrolyte liquide qui utilisent du graphite”.

« Le sodium ne peut pas être facilement laminé en raison de sa texture collante, semblable à celle de la pâte à modeler », explique Montse Galcerán, chercheuse principale de ce projet au CIC energiGUNE. “À ce jour, la méthode la plus couramment utilisée pour rouler un bloc de sodium était aussi simple que de le traiter avec un marteau, mais cela signifiait qu’il était impossible d’obtenir une feuille fine et homogène et, par conséquent, il y avait un grand excès de matière inutilisée. sodium dans les batteries. Grâce à l’évaporation, nous avons réussi à surmonter cet obstacle », dit-il.

Cet amincissement de l’anode permet de réduire la quantité de sodium nécessaire, ainsi que les coûts, le poids et les dimensions des batteries, tout en augmentant la densité énergétique (plus grande capacité de stockage) et la sécurité.

Si la matière première est bon marché, les batteries le sont aussi

Rosa Palacín, Institut des Sciences des Matériaux de Barcelone (ICMAB-CSIC)

Un autre élément utilisé comme substitut au lithium est le calcium. « C’est l’un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre et il n’est pas concentré dans des zones géographiques précises, comme c’est le cas du lithium. Si la matière première est bon marché, les batteries peuvent aussi l’être », explique Rosa Palacín, de l’Institut de science des matériaux de Barcelone (ICMAB-CSIC) et membre du projet. CARBAT un Horizon.

L’utilisation du calcium comme électrode négative offre des avantages par rapport au graphite dans les batteries lithium-ion, car elle a une plus grande capacité d’accumulation par kilogramme (densité énergétique) que les batteries au lithium conventionnelles, qui forment également de minuscules structures rigides appelées dendrites et peuvent provoquer des courts-circuits ou exploser. après de nombreuses utilisations, selon l’entité.

« Lorsque le calcium traverse l’électrolyte, deux électrons en sortent au lieu d’un, comme dans le cas du lithium. On peut supposer qu’une batterie de même taille offrirait une plus grande autonomie si elle était utilisée dans un véhicule électrique, à condition de trouver une électrode positive appropriée », explique Palacín.

La clé est de choisir les composants les plus appropriés. « Il semble qu’en fin de compte, tous les sels électrolytiques fonctionnels contiennent du bore. Nous utilisons du tétrafluoroborate de calcium dissous dans un mélange de carbonate d’éthylène et de propylène », précise le chercheur.

D’autres chercheurs de l’Université technique du Danemark recherchent, dans le cadre du projet SALBAGE, une batterie composée d’une anode en aluminium et d’une cathode en soufre. L’aluminium est encore plus abondant que le calcium, mais son incorporation dans une batterie pose des difficultés similaires.

« Tous les matériaux utilisés sont bon marché. L’aluminium, le soufre, l’électrolyte lui-même et l’urée sont très, très bon marché. Même le polymère l’est », affirme le chercheur universitaire danois Juan Lastra, qui défend cette possibilité de stocker l’énergie d’un parc éolien ou solaire.

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