Progrès dans la recherche sur les batteries grâce à l’analytique

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L’augmentation des émissions de CO₂ et le réchauffement climatique en cours rendent indispensable le remplacement progressif des véhicules à moteur thermique par des voitures électriques. Or les batteries lithium-ion, aujourd’hui majoritairement utilisées, sont très gourmandes en ressources naturelles et coûteuses à produire. La recherche sur les batteries explore donc activement des alternatives. Un nouveau candidat prometteur : le sel de cuisine.

Les détracteurs de la mobilité électrique avancent souvent l’argument selon lequel une voiture électrique ne devient écologiquement plus avantageuse qu’un véhicule thermique qu’après environ 90 000 kilomètres parcourus – la fabrication de ses batteries étant particulièrement énergivore et néfaste pour l’environnement.

Pourtant, le réchauffement climatique, marqué par une hausse continue des températures moyennes, exige une sortie progressive des combustibles et carburants fossiles. C’est précisément la Chine – généralement perçue comme très favorable aux industries manufacturières – qui mène ici la danse, accélérant sa transition énergétique sous la pression croissante du smog dans ses grandes villes et zones urbaines densément peuplées.

C’est pourquoi la recherche internationale sur les batteries s’attelle, avec une intensité accrue, à développer de nouveaux systèmes de stockage d’énergie et des accumulateurs rechargeables. La plupart des technologies étudiées reposent encore sur la technologie lithium-ion. Celle-ci présente toutefois un inconvénient majeur : les matières premières qu’elle requiert – notamment le lithium et le cobalt – ont un fort impact environnemental, sont difficiles à extraire et deviennent de plus en plus rares. Les batteries sodium-ion apparaissent ainsi comme une alternative porteuse d’espoir. Comme le sodium se trouve couramment sous forme de chlorure de sodium (sel de cuisine), on peut dire, sans exagérer, que le sel pourrait bien être la solution.

Le projet collaboratif « Transition », financé à hauteur de 1,5 million d’euros par le ministère fédéral allemand de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) afin de promouvoir un stockage d’énergie plus durable, travaille – selon la rédaction du salon Analytica de Munich – à des alternatives aux batteries lithium-ion classiques, ainsi qu’à la mise au point de nouveaux matériaux et d’électrolytes destinés aux batteries sodium-ion de nouvelle génération.

Une batterie imprimée au jet d’encre

Le projet réunit l’institut Helmholtz d’Ulm (HIU), le Centre de recherche sur l’énergie solaire et l’hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW) et l’université Friedrich-Schiller de Iéna, couramment désignée par son sigle FSU. Selon le professeur docteur S. Ulrich Schubert, du Centre de chimie énergétique et environnementale de la FSU, son équipe a « pour la première fois présenté une batterie en couche mince fabriquée par impression jet d’encre ». Ce résultat repose sur des recherches approfondies, lancées dès 2011, portant sur les polymères comme matériaux actifs – travaux brevetés par son équipe. « La société Forma Evonik Industries AG s’apprête à commercialiser ces nouveaux polymères sous forme d’encres imprimables », ajoute le professeur. Ces batteries sans métaux lourds visent à être plus durables, plus respectueuses de l’environnement, moins coûteuses, tout en offrant des performances très élevées. Parmi leurs applications potentielles, le professeur Schubert cite notamment les étiquettes RFID, les « pansements intelligents » destinés à transmettre des données biomédicales ou encore les vêtements connectés. Les batteries à base de plastique utilisant des polymères comme matériaux actifs devraient présenter de nombreux avantages par rapport aux accumulateurs lithium-ion classiques : leur fabrication génère un bilan carbone nettement inférieur ; leurs composants sont nettement moins toxiques et inflammables ; enfin, ils peuvent être mis en œuvre directement par des procédés d’impression.

L’impact écologique et économique favorable de ces nouvelles batteries ne se limite pas à la phase de production : il s’étend également à leur utilisation, à leur fin de vie et à leur recyclage. L’absence totale de métaux lourds renforce par ailleurs considérablement leur caractère durable.

Les batteries sodium-ion renoncent aux métaux lourds

Le prototype de batterie sodium-ion développé dans le cadre du projet collaboratif Transition utilise, selon la revue spécialisée, un charbon dur à base de biomasse comme anode, associé à un liant aqueux et à de l’aluminium comme collecteur de courant ; la cathode, quant à elle, est composée d’oxydes de métaux de transition.

Dans le domaine de la mobilité électrique, les batteries sodium-ion ne remplaceront pas les accumulateurs lithium-ion, mais ne pourront dans un premier temps que les compléter, selon les chercheurs. Parallèlement, la recherche sur les batteries accorde également un fort potentiel à la technologie de l’hydrogène, notamment lorsqu’on prend en compte divers aspects de sécurité.

Des méthodes d’analyse innovantes s’avéreront indispensables pour déterminer précisément la composition des électrolytes et des autres composants. Une infographie présentée lors de l’Analytica 2020 illustre les avantages des batteries sodium-ion par rapport aux batteries lithium-ion, notamment grâce à ces nouvelles techniques d’analyse. Ainsi, la cathode ne contient pas d’oxyde métallique de lithium, mais un oxyde de métal de transition plus facile à produire. Cette caractéristique rend les batteries sodium-ion nettement plus respectueuses de l’environnement et moins coûteuses à fabriquer, puisqu’elles n’utilisent aucun métal lourd – un atout majeur aussi bien pour leur élimination que pour leur recyclage.

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