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L'énergie à découvert

 | 
Rémy Mosseri
, 
Catherine Jeandel

Sixième partie. Entre sources et usages : stockage et vecteurs d'énergie

2. Apports de la chimie pour de meilleurs accumulateurs

Patrice Simon et Jean-Marie Tarascon

Texte intégral

1La nécessité pour notre société actuelle d’évoluer vers un développement durable et responsable pour la préservation de l’environnement implique de limiter les émanations polluantes et de favoriser l’émergence des énergies dites « propres » ou renouvelables (ENR). La mise au point de générateurs électrochimiques performants pour le stockage de ces énergies revêt donc une importance toute particulière.

Les différentes technologies

2De nombreuses technologies d’accumulateurs existent. Après les premières batteries plomb-acide et Ni-Cd (en voie de disparition en raison de la toxicité du Cd), sont apparues dans les années 1970-1980 les technologies nickel-métal hydrure (Ni-MH), lithium-métal polymère (LMP) et enfin la technologie lithium-ion (Li-ion) en 1990. Du fait de leurs performances très nettement supérieures aux autres technologies, les accumulateurs Li-ion se sont très rapidement développés et imposés dans bon nombre d’applications. Ils alimentent ainsi aujourd’hui plus de 90 % de l’électronique portable. Les batteries à ions Li actuelles utilisent du carbone comme matériau d’électrode négative et des oxydes métalliques à base de cobalt (NMC), de manganèse (LMO) ou du phosphate de fer lithié (LFP) pour l’électrode positive. Pour les applications portables, la technologie NMC/C dépassant les 200 Wh/kg s’est imposée avec des systèmes NMC/Si pouvant atteindre les 250 Wh/kg, prévus pour fin 2013.

3Pour les ordinateurs et les tablettes portables, la densité d’énergie * des batteries Li-ion utilisées aujourd’hui (250 Wh/kg pour la technologie NMC) suffit à couvrir la très grande majorité des besoins. Cependant, la problématique est sensiblement différente lorsque l’on passe à des applications nécessitant de plus grandes quantités d’énergie, comme dans les véhicules électriques (VE) et hybrides (VEH) ou encore pour le stockage grande échelle des énergies renouvelables. Pour ces applications, des systèmes moins performants (150 Wh/kg) mais plus économiques utilisant le LMO ou le LFP (150 Wh/kg) leur sont préférés, d’autant plus que ce dernier présente en plus des avantages en termes de sécurité (risque d’emballement thermique réduit par exemple). Malgré de réels progrès, la technologie Li-ion ne peut encore satisfaire pleinement les exigences liées au développement du véhicule électrique. De nombreux challenges demeurent au niveau de i) la densité d’énergie pour atteindre des autonomies allant au-delà de 320 km (160 km aujourd’hui), ii) la sécurité pour égaler celle du véhicule thermique, iii) du coût qui doit être divisé par 2 pour atteindre les 250 €/kWh et iv) de leur éco-compatibilité. Si une réponse partielle à ces problèmes, du point de vue sécurité, est apportée par la batterie LMP fonctionnant à 80 °C, la nécessité de développer des accumulateurs à ion lithium ou autres, plus durables, plus écologiques, est évidente. C’est pourquoi les batteries LiS, Na-ion, Li-air, voire Mg and Ca, sont actuellement à l’étude (figure 1).

Fig. 1 – Comparaison des différentes technologies d’accumulateurs pour applications véhicules électriques en termes d’autonomie. Leurs états de développement est aussi mentionné

Stockage des ENR

4Le stockage à grande échelle des énergies renouvelables (stockage réseau) ne peut se faire qu’en développant des batteries de très grande capacité, typiquement de plusieurs MWh. Plus que les performances énergétiques par unité de masse ou de volume, le critère de choix est donc le coût. C’est dans cet esprit qu’ont été développées les technologies haute température (fonctionnant vers 300 °C) comme les batteries sodiumsoufre (Na-S) ou ZEBRA (Na-NiCl2) installées principalement au Japon, qui offrent aujourd’hui des solutions de stockage de plusieurs MWh. La batterie Redox Flow (RFB), quant à elle, utilise des systèmes rédox dissous dans des électrolytes* stockés dans de grands réservoirs ; les deux flux sont pompés et circulent entre deux électrodes où ils sont oxydés/réduits pour produire de l’électricité. L’intérêt de tels systèmes provient principalement du fait qu’ils peuvent découpler puissance-énergie et, de ce fait, répondre à de grandes demandes d’autonomie. Cette technologie n’est pas encore mature mais elle est aujourd’hui en cours de développement ; l’avenir dira si les nombreux défis (corrosion, coût de maintenance, durabilité…) pourront être relevés.

Fig. 2 – Les tendances de la chimie dans le domaine des batteries. a) Avec le passage à l’échelle nanométrique voire nanostructurée ou nanoarchitecturée, et b) le désir de poursuivre des procédés éco-efficaces par des approches bio-inspirées

5Quels que soient les systèmes actuels ou futuristes évoqués cidessus, ils sont tous tributaires des caprices de la chimie à ne pas fournir des matériaux performants sur demande. L’aptitude des chimistes à répondre à la demande en élaborant de nouveaux matériaux opérant sur les concepts classiques, a déjà permis d’améliorer les performances de ces systèmes qui font partie de notre vie quotidienne. Pour aller de l’avant, il faut maintenant sortir des sentiers battus. Il y a dix ans, l’utilisation des matériaux nanométriques apporta un second souffle à la technologie à ions Li en permettant de redonner une vie à des matériaux jadis délaissés et d’entrevoir l’utilisation du silicium comme matériau d’électrode, jusquelà banni pour des raisons d’expansion volumique (figure 2a). Aujourd’hui, beaucoup d’espoirs reposent sur l’utilisation de cations multivalents (Mg2+, Al3+…) pour augmenter la capacité. Cependant, il est à parier que, pour des raisons environnementales, la chimie énergétique de demain s’inspirera davantage du vivant en intégrant plus massivement les approches bioinspirées (cf. V.14), biomimétiques, voire bio-sourcées (figure 2b). La synthèse de matériaux d’électrodes par bio-minéralisation, l’utilisation de matériaux d’électrodes organiques préparées par des concepts de chimie verte ou encore la chimie de recyclage du Li n’en sont qu’à leurs débuts et nouveaux matériaux et nouveaux procédés deviendront incontournables. À l’intuition du chimiste devra s’ajouter des approches théoriques pour le guider dans le choix des matériaux. Finalement, la maîtrise du système batterie demandera le développement de techniques de caractérisations in situ beaucoup plus sophistiquées qu’aujourd’hui. La transdisciplinarité deviendra donc essentielle pour aller de l’avant sur la problématique énergie. La quête du Graal – mettre au point la batterie du futur reposant sur des matériaux performants et des procédés éco-efficaces – est donc lancée et la concurrence est terrible. De grands projets nationaux se montent en Europe, aux États-Unis, et également en Asie avec des investissements énormes.

6Dans ce contexte international hautement compétitif, la création en France du Réseau national sur le Stockage Électrochimique de l’Énergie (RS2E) par le CNRS et le MESR est une avancée prometteuse. Ce réseau regroupe 15 laboratoires CNRS-Universités, le CEA, l’INERIS et l’IFP, et un club d’industriels associé ; il se veut être un moteur de l’innovation dans le domaine des batteries, avec des retombées directes pour nos industriels.

Bibliographie

Références bibliographiques

• P. SIMON et J. -M. TARASCON – Stockage électrochimique de l’énergie : l’apport des nano-matériaux, L’Actualité Chimique, 2009.

• Réseau sur le Stockage Électrochimique de l’Énergie, www.energie-RS2E.com.

• D. LARCHER et J. -M. TARASCON – Les batteries au lithium dopées par les nanomatériaux, La Recherche, 2009.

Table des illustrations

Légende Fig. 1 – Comparaison des différentes technologies d’accumulateurs pour applications véhicules électriques en termes d’autonomie. Leurs états de développement est aussi mentionné
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11101/img-1.jpg
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Légende Fig. 2 – Les tendances de la chimie dans le domaine des batteries. a) Avec le passage à l’échelle nanométrique voire nanostructurée ou nanoarchitecturée, et b) le désir de poursuivre des procédés éco-efficaces par des approches bio-inspirées
URL http://books.openedition.org/editionscnrs/docannexe/image/11101/img-2.jpg
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Auteurs

Chimiste, Sciences des Matériaux, Professeur des Universités, Membre Junior de l’Institut Universitaire de France, CIRIMAT, Université Paul Sabatier, Toulouse.
simon@chimie.ups-tlse.fr

© CNRS Éditions, 2013

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