Dans la recherche d'un stockage durable et efficace de l'énergie électrique, les technologies des batteries sont à la pointe de la recherche scientifique. Dans ce contexte, la notion d'une technologie de batterie dite universelle s'estompe pour laisser place à un paysage riche en technologies diverses et concurrentes. Cet article,propose de recenser les différentes technologies de batterie disponible sur le marché et de présenter les géants établis et les nouveaux concurrents afin d’illustrer le fait que l'avenir du stockage de l'énergie pourrait ne pas être monopolisé par une seule technologie, mais plutôt s'épanouir à travers une multitude de technologies concurrentes. Alors que des progrès se poursuivent au niveau de la densité énergétique, des normes de sécurité et de l'impact sur l'environnement, la technologie des batteries reste considérée comme un moteur essentiel pour les systèmes de stockage d'énergie répondant à des exigences spécifiques et transposables plus largement dans différentes industries et régions.
La chimie des batteries se réfère aux matériaux et aux réactions utilisés pour stocker et libérer l'énergie électrique détenue dans la batterie. Les types de batteries varient considérablement, des batteries plomb-acide, historiquement utilisées dans l’automobile et pour le stockage stationnaire, jusqu'aux batteries lithium-ion et sodium-ion plus modernes qui alimentent les systèmes de stockage d'énergie (SSE), les véhicules électriques (VE) et les produits technologiques (téléphone portable, ordinateur, tablette,...). Chaque type de batterie présente des avantages et des inconvénients, en fonction des usages spécifiques. Les batteries lithium-ion sont, par exemple, privilégiées pour la mobilité électrique et les appareils électroniques en raison de leur densité énergétique élevée et de leur longue durée de vie. A l'inverse, les batteries plomb-acide sont souvent utilisées dans les systèmes d'alimentation de secours en raison de leur fiabilité et de leur rentabilité.
Les nouvelles technologies de batteries, telles que les batteries à l'état solide, le lithium-soufre et les ions lithium-air et sodium, promettent des améliorations significatives en termes de densité énergétique, de sécurité et d'impact sur l'environnement. Ces progrès sont essentiels pour répondre aux demandes croissantes liées à la mobilité électrique, ou encore au stockage d'énergie renouvelable. A titre d’exemple, les batteries à semi-conducteurs proposent ainsi de remplacer l'électrolyte liquide ou gélifié des batteries lithium-ion classiques par un électrolyte solide, ce qui pourrait améliorer considérablement la sécurité et la densité énergétique.
En outre, l'impact environnemental de la production et de l'élimination des batteries est une préoccupation croissante. Le choix des matériaux, leur disponibilité et la complexité du recyclage des batteries usagées sont autant de facteurs critiques qui influencent la durabilité des technologies des batteries. Des efforts sont en cours pour développer des batteries avec des matériaux plus abondants et moins toxiques, ou pour améliorer les processus de recyclage afin de récupérer les matériaux valorisables des batteries usagées.
Les batteries lithium-ion. Elles sont devenues la technologie rechargeable moderne de référence. Louées pour leur densité énergétique élevée et leur longévité, elles alimentent tout, des smartphones aux voitures électriques. Néanmoins, les inquiétudes liées à la rareté des ressources et à leur impact environnemental interroge sur leur utilité à long terme.
Les batteries plomb-acide. Ce sont les vétérans du monde des batteries. Elles continuent de servir dans les démarreurs automobiles et les alimentations de secours. Connues pour leur fiabilité et leur rentabilité, elles sont couramment utilisées dans les démarreurs automobiles, les alimentations sans interruption (ASI) et les systèmes d'alimentation de secours. Leur grande recyclabilité est un avantage clé, la majorité du plomb utilisé dans les nouvelles batteries étant réutilisé. Toutefois, la densité énergétique et l'efficacité des batteries plomb-acide, inférieures à celles des produits plus modernes, limitent leur pertinence pour les usages nécessitant des solutions de stockage d'énergie légères et compactes. En outre, la teneur en plomb soulève des préoccupations environnementales et sanitaires, nécessitant des pratiques strictes de recyclage et d'élimination.
Les batteries nickel-métal-hydrure (NiMH). Elles offrent un bon équilibre entre performances et durabilité environnementale. Présent dans les véhicules hybrides et certains appareils électroniques, ils offrent un juste milieu en termes de densité énergétique et sont plus respectueux de l’environnement que leurs homologues au plomb et au lithium-ion.
La recherche de compositions chimiques alternatives pour les batteries a conduit à des développements pertinents :
Batterie sodium-ion
Les batteries sodium-ion apparaissent comme une alternative prometteuse. Tirant parti de la nature largement disponible et peu coûteuse du sodium, cette technologie offre une solution intéressante, en particulier pour les applications où le coût des matériaux constitue une préoccupation majeure. Avec des densités énergétiques et des taux de recharge proches de ceux des batteries lithium-ion, la technologie sodium-ion est sur le point de devenir une option viable pour les appareils électroniques et les véhicules électriques.
Avancées et défis :
Les recherches progressent dans l’amélioration de la durabilité et de l’efficacité énergétique des batteries sodium-ion, dans le but de surmonter les défis liés à la stabilité du cycle et à la capacité de débit. Des matériaux innovants, notamment des électrodes et des électrolytes sont à l'étude pour améliorer le transport des ions et la stabilité structurelle pendant les cycles de charge-décharge. Malgré ces efforts, atteindre la parité avec les batteries lithium-ion en termes de maintien d’énergie et de durée de vie opérationnelle reste un obstacle majeur.
Batterie redox vanadium
Les batteries redox vanadium se démarquent dans le domaine du stockage en réseau, offrant une évolutivité et une longévité inégalées. Ces batteries stockent l'énergie dans des électrolytes liquides contenant des ions vanadium dans différents états d'oxydation, qui circulent à travers une cellule électrochimique. Cette conception unique permet de créer des batteries de différentes tailles, ce qui en fait une solution adaptable à une large gamme de capacités de stockage.
Intégration réseau et énergies renouvelables
Les attributs uniques des batteries redox vanadium, notamment leur cycle de vie de plus de 20 000 cycles et leur capacité à se décharger complètement sans dégradation, les rendent particulièrement adaptées au stockage des énergies renouvelables. Ils peuvent gérer efficacement la nature intermittente de l’énergie solaire et éolienne, garantissant ainsi un approvisionnement stable et fiable en électricité au réseau. Cependant, leur densité énergétique inférieure à celle des batteries à l'état solide limite leur application dans des usages ou l’espace est restreint, comme la mobilité électrique ou les appareils électroniques.
Le paysage futur des technologies de batteries
Le paysage futur des technologies de batterie s’annonce comme une mosaïque nourrie par les avancées dans la science et l’ingénierie des matériaux, ainsi que par l’accroissement légitime des préoccupations économiques et environnementales. Des innovations telles que les batteries à semi-conducteurs et au lithium-soufre ouvrent la voie à des solutions de stockage d'énergie plus sûres et plus efficaces, tandis que l'adoption des principes de l'économie circulaire et les progrès des technologies de recyclage mettent l'accent sur la durabilité. Alors que l’intelligence artificielle accélère la découverte et l’optimisation de nouvelles substances chimiques, l’industrie se dirige vers un avenir où coexisteront diverses technologies de batteries, chacune étant adaptée à des usages différents et à des exigences spécifiques. Cette approche multiforme garantit le rôle central du secteur des batteries dans la transition mondiale vers un avenir électrifié plus durable, marqué par un large éventail de solutions de stockage d'énergie répondant aux divers besoins du marché.
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