Inauguration d’une batterie géante par Elon Musk - avancées d’une technologie fondamentale

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Pari tenu. Après un black-out ayant touché les réseaux électriques australiens et mené des politiciens à accuser l’utilisation des énergies renouvelables, le milliardaire Elon Musk a lancé la construction d’une batterie géante sur l’île-continent pour pallier les risques similaires. Il avait annoncé des délais de construction record et lorsqu’un autre milliardaire s’interrogea sur son sérieux, la réponse fut audacieuse : la batterie serait construite cent jours après la signature du contrat ou serait livrée gratuitement.

Moins de cent jours plus tard, les travaux sont finis, et le pari tenu.

En Europe, Airbus, Siemens et Rolls-Royce s’associent dans le développement de moteurs hybrides… pour des avions de ligne. A l’instar des voitures hybrides déjà en fonctionnement, cette technologie permettrait de réduire drastiquement la consommation de carburant et la pollution générée par les gros-porteurs, mais l’un des points-clefs est le besoin de batteries à la fois sûres, légères et capables de stocker de grandes quantités d’énergie.

Une batterie est une structure qui peut facilement stocker et restituer de l’énergie ; la structure la plus présente actuellement est celle des batteries dites Lithium-Ion.

Majoritairement utilisées tant dans les objets connectés que dans des véhicules électriques, les batteries au Lithium présentent l’une des meilleures combinaisons de caractéristiques importantes pour les batteries (forte densité d’énergie, faible taux d’auto-décharge, grand nombre de cycles de recharge, sécurité, etc.). Conçues et produites en laboratoire dans les années 1970, elles sont arrivées sur le marché à partir des années 1990 et sont formées de trois composants : une électrode positive, une électrode négative et un électrolyte (une solution saline). C’est dans ce dernier que vont se déplacer des ions – des atomes chargés électriquement par l’ajout ou la perte d’électrons – entre les deux électrodes, précisément des ions de Lithium dans la batterie du même nom. L’électrode négative est habituellement faite de graphite (le matériau des mines de crayon) et l’électrode positive d’un composé plus complexe. Les deux électrodes vont naturellement réagir l’une avec l’autre, en se servant de l’électrolyte comme intermédiaire, le déplacement des ions de l’électrode négative vers la positive va s’accompagner d’un courant électrique sur le circuit connectant les électrodes (décharge). Si l’on force un courant à passer dans le sens inverse, on inverse la réaction avec un coût en énergie (charge).

Développements technologiques récents

Pour améliorer les performances des batteries, on cherche à augmenter le nombre de cycles de charge/décharge avant que la batterie perde en efficacité, ou à créer des structures qui peuvent héberger plus d’ions dans une masse et un volume plus faible. L’une des voies suivies actuellement est celle de l’infiniment petit, celle des nanotechnologies. Les défis à relever sont en effet associés au contrôle des matériaux à l’échelle du milliardième de mètre et en-dessous.

Le travail à l’échelle nanométrique permet de résoudre en outre des problèmes récurrents dans le fonctionnement des batteries. Par exemple, lorsque les atomes de Lithium se déplacent d’une électrode à l’autre, ils peuvent former des structures métalliques attachées à l’électrode recevant les atomes (voir image ci-dessous). Dans certaines conditions, ces "branches" peuvent connecter les deux électrodes, créant un court-circuit qui rend la batterie inutilisable.

Source : R.R. Chianelli, J. Cryst. Growth, 1976, 34, 239-244

Une solution a été trouvée récemment par des chercheurs de l’université de Stanford, qui ont arrangé à la surface de l’électrode une structure de nanosphères de carbone qui va bloquer le Lithium et empêcher la formation de ces structures. Ce phénomène, qui est l’une des causes de la perte de charge progressive des batteries, est ainsi neutralisé, augmentant très fortement le nombre de cycles pouvant être effectués avec une batterie.
En parallèle, le NorthEast Center for Chemical Energy Storage (NECCES) dans l’Etat de New York a développé des techniques d’IRM permettant d’observer le fonctionnement d’une batterie et la formation des défauts1.

Source : http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2014.152

Micro et nanoingénierie

Outre l’étude par simulation moléculaire de structures chimiques optimum dédiées aux batteries, des travaux importants continuent d’être réalisés sur les structures des matériaux à l’échelle atomique pour optimiser leur fonctionnement dans les batteries. C’est le cas par exemple des travaux réalisés par une collaboration entre Rice University, le MIT et l’Université du Winsconsin. En croisant simulations et observation des batteries avec des rayons X pendant leur charge, il a été possible de mettre en évidence que la présence de défauts dans la structure d’une cathode – en changeant la dynamique de déplacement des atomes – permet d’augmenter très fortement la surface capable de subir les réactions chimiques de la batterie. De telles découvertes offrent des alternatives non seulement sur la composition des batteries, mais aussi sur la forme que leurs composants doivent prendre pour optimiser leurs performances. Dans ce cas, la nouvelle structure a pu être obtenue par des méthodes de synthèses très courantes, rendant d’éventuelles améliorations industrielles relativement aisées, mais cette situation n’est pas omniprésente. En effet, la capacité à produire, tant en conditions de laboratoire qu’au niveau industriel, de nouvelles structures et des matériaux, représente un autre sujet de recherche majeur pour l’amélioration des batteries.

Cette motivation se retrouve dans des travaux réalisés à UT Austin ayant mis au point un procédé pour réaliser des anodes à la fois plus petites, moins chères, plus légères et de capacité supérieure pour les batteries lithium-ion utilisées actuellement dans une très grande quantité d’objets du quotidien. Ici, la percée a été une réduction non seulement des étapes de fabrication mais aussi de la quantité de matériau et le volume nécessaire pour arriver à un résultat identique, en passant par des matériaux nanostructurés.
Une autre approche en cours de développement est la miniaturisation extrême des batteries, avec les travaux du Nanostructures for Electrical Energy Storage Center dans le Maryland, qui présente des méthodes pour fabriquer des milliards de nanobatteries individuelles plutôt qu’une batterie macroscopique2.

Batteries à l’état solide

Enfin, l’innovation se manifeste par le développement de nouvelles formes de batteries cherchant à changer le paradigme technologique actuel plutôt que de poursuivre des améliorations successives. On retrouve par exemple en février 2017, l’annonce faite par l’Université du Texas à Austin d’un nouveau développement technologique, mené par John Goodenough, l’un des co-inventeurs des batteries Lithium-Ion.

Là où les batteries Lithium-Ion utilisent des électrolytes liquides limitant leur vitesse de chargement, des électrolytes de verre permettent l’utilisation d’anodes faites de métaux alcalins augmentant fortement les performances en recharge, mais aussi la durabilité. En effet, les tests montrent une amélioration notable du nombre de cycles pouvant être subis par une batterie et des tolérances en température jamais vues pour des batteries à l’état solide (les précédentes ne pouvaient pas fonctionner en-dessous de 60 °C, celles-ci peuvent aller jusqu’à – 20 °C).

En outre, ces verres spécifiques peuvent être produits avec un impact environnemental beaucoup plus faible (utilisation de sodium de l’eau de mer plutôt que de lithium, plus rare et difficile à produire), une densité énergétique trois fois supérieure aux Li-Ion et un coût réduit, offrant une alternative potentielle à la technologie utilisée pour l’instant.

Un démonstrateur spectaculaire dans une course internationale

Capable d’alimenter 30 000 foyers pendant une heure, la batterie géante construite par Elon Musk et qui est utilisée par la branche australienne de la compagnie française Neoen, est une version de très grande taille des batteries Lithium-Ion utilisées dans le véhicule Tesla. Les contraintes de temps ont forcé un changement de partenaire, puisque Panasonic, qui avait participé au développement de la technologie utilisée dans ces voitures électriques et reprise partiellement dans la batterie géante, ne pouvait pas produire les cellules de stockage suffisamment rapidement. Ce fut ainsi Samsung qui s’imposa comme partenaire à Tesla pour atteindre l’objectif en temps et heure et fournir une première solution pour pallier les coupures de courant régulières.

Cependant, si cette batterie géante arrache le record de la plus grande capacité obtenue à ce jour, Tesla n’est pas seul dans la course, Hyundai Electric & Energy Systems va inaugurer cette année une batterie de capacité 50 % supérieure. La Chine n’est pas non plus en reste, continuant d’accroitre la production de batteries, comptant fabriquer tous les ans à partir de 2021 l’équivalent de 1 200 fois la capacité inaugurée en Australie.

Au-delà du domaine privé, la recherche fédérale aux Etats-Unis pousse le développement des technologies de batteries à l’aide des Energy Research Frontier Center (EFRC) et de Hubs technologiques, dont les recherches sont poussées vers la production industrielle privée (brevets et licences). De façon plus générale, le Department of Energy finance régulièrement des travaux universitaires et industriels sur le développement des technologies associées aux batteries avec un organisme dédié à la recherche sur les batteries véhiculaires et un programme pour le stockage d’énergie pour les réseaux électriques.

En France, l’organisme leader est le RS2E, le Réseau sur le Stockage Électrochimique de l’Énergie, dirigé par Jean-Marie Tarascon (médaille de l’innovation du CNRS 2017 – http://www.cnrs.fr/fr/recherche/prix/medaillesinnovation.htm) et qui rassemble les acteurs scientifiques et industriels de l’énergie pour assurer une maitrise des différents défis technologiques associés au stockage de l’énergie.

1 "NorthEast Center for Chemical Energy Storage. Chandrashekar, S., et al. 2012. “7Li MRI of Li Batteries Reveals Location of Microstructural Lithium,” Nature Materials 11, 311–15. DOI:10.1038/nmat3246."
2 "Nanostructures for Electrical Energy Storage. Liu, C., et al. 2014. “An All-in-One Nanopore Battery Array,” Nature Nanotechnology 9, 1031–39. DOI:10.1038/nnano.2014.247"


Rédacteur
- Laurent Pelliser, Attaché adjoint pour la Science et la Technologie, Consulat Général de France à Houston, deputy-phys@ambascience-usa.org