Un nouveau type de batterie promet de résoudre trois défauts importants des batteries au lithium

Actuellement, les batteries lithium-ion sont utilisées presque partout – dans les plus grands et les plus petits appareils intelligents portables et ordinateurs, écouteurs sans fil, outils électriques, appareils électroménagers et aussi dans les véhicules électriques. Ils ont de nombreux avantages, ce n’est pas pour rien que c’est le standard de l’industrie depuis des années. Cependant, il y a aussi des inconvénients, c’est pourquoi l’une des prochaines grandes percées technologiques pourrait être un nouveau type de batterie. De nombreuses équipes de scientifiques des matériaux du monde entier y travaillent, et des chercheurs de l’Université technique de Vienne proposent leur solution : des batteries oxygène-ion.

L’importance des batteries lithium-ion est difficile à surestimer. Ce n’est pas pour rien qu’Akira Yoshino et John Goodinough ont reçu le prix Nobel de chimie en 2019 pour leur contribution au développement de cette technologie de batterie. Ils ont une bonne densité énergétique (quelle quantité d’énergie peut être stockée dans une unité de volume donnée). Selon les différentes nuances, la batterie lithium-ion peut stocker de 250 à 670 wattheures par litre de matériau. L’autodécharge n’est pas non plus un problème aussi important que, par exemple, les batteries au nickel-cadmium. Le premier jour après la charge, une batterie lithium-ion perd environ cinq pour cent de sa charge, et après cela, seulement un à deux pour cent par mois. Ils peuvent également être très compacts et fonctionner dans une plage de température adaptée à l’électronique de tous les jours. Alors, quels sont les inconvénients ?

Tout d’abord, l’extraction du lithium. Il n’est pas considéré comme un élément chimique rare, mais il n’existe pas sous forme libre dans la nature, car il réagit fortement avec l’eau et l’oxygène. Certaines des méthodes d’extraction du lithium les plus utilisées sont gourmandes en ressources et en temps. Par exemple, l’un des gisements de lithium les plus riches se trouve dans la pauvre Bolivie. Là, le lithium est extrait en pompant l’eau salée des réservoirs souterrains et en la drainant dans des masses d’eau, où il s’évapore progressivement, laissant derrière lui une solution de plus en plus concentrée. Dans le processus, une masse de chaux éteinte et d’eau y est ajoutée, ce qui aide également des éléments tels que le magnésium et le bore à s’évaporer de la solution. Lorsque la concentration de lithium dans la solution a atteint un certain niveau, elle est purifiée des autres éléments indésirables et le lithium est extrait à l’aide d’un traitement chimique. L’extraction du lithium des minéraux est un procédé encore plus “noble” en termes de consommation d’énergie.

Deuxièmement, bien que les batteries lithium-ion aient un très bon cycle de vie, chaque utilisateur de smartphone et d’ordinateur portable aura constaté qu’après quelques années, la batterie de l’appareil s’est considérablement usée – si le téléphone “durait” toute la journée sans aucun problèmes au début, maintenant il quitte la maison sans chargeur mieux vaut ne pas sortir.

Troisièmement, si elles sont endommagées, les batteries lithium-ion peuvent prendre feu lorsque le lithium réagit avec l’oxygène de l’air ou avec l’eau. Il y a eu des cas où les fabricants ont dû retirer des produits du marché en raison des risques causés par des batteries défectueuses, comme ce fut le cas avec les smartphones “Samsung Galaxy Note 7”.

Les batteries oxygène-ion promettent de résoudre tous ces problèmes. Leur production ne nécessite pas d’éléments de terres rares ou d’éléments dont l’extraction est un processus complexe et gourmand en ressources. Ils ont également un excellent cycle de vie et s’usent peu, et il n’y a pas lieu de se soucier de la sécurité incendie. Comment fonctionne cette technologie ? Ce sont des batteries de matériaux céramiques, mais les ions oxygène sont le porteur de charge de l’anode à la cathode.

“Nous avons beaucoup d’expérience avec les matériaux céramiques qui peuvent être utilisés dans la production de piles à combustible. L’idée est née d’étudier si ces matériaux ne pourraient pas également être utilisés dans la production de batteries”, explique l’un des auteurs de l’étude, Aleksandrs Šmits, chercheur à l’Institut de technologie chimique et d’analyse de l’Université technique de Vienne, dans une déclaration aux médias. Les matériaux céramiques étudiés par son équipe peuvent absorber et libérer des ions oxygène chargés doublement négativement. Les ions, « migrant » d’un matériau céramique à un autre et inversement, génèrent du courant. Le principe de base est quasiment le même que pour les batteries lithium-ion. Seuls les matériaux diffèrent.

“Les matériaux céramiques présentent des avantages significatifs”, explique le professeur Jurgens Flieg, qui cite en exemple la sécurité incendie, ainsi que le fait que l’utilisation de matériaux céramiques ne nécessite pas un processus d’extraction des métaux utiles non respectueux de l’environnement. Les batteries oxygène-ion peuvent également se régénérer – si l’oxygène est perdu à la suite de réactions secondaires, il sera remplacé par l’oxygène de l’air ambiant.

Si quelque chose semble trop beau pour être vrai, rappelez-vous que ce n’est probablement pas le cas. Par conséquent, cette batterie a aussi ses inconvénients. Ces batteries, si et quand elles entreront en circulation, ne conviendront pas aux smartphones ou aux ordinateurs portables. Premièrement, la densité d’énergie n’est que d’environ un tiers de celle des batteries lithium-ion. Il n’est pas exclu qu’à la suite de l’amélioration de la technologie, celle-ci soit améliorée au fil du temps. Mais actuellement, une batterie oxygène-ion peut stocker beaucoup moins d’énergie qu’une batterie lithium-ion de taille identique.

Deuxièmement, les batteries oxygène-ion fonctionnent à des températures élevées, entre 200 et 400 degrés Celsius. Ce ne sera pas quelque chose que nous pourrons garder confortablement dans notre poche.

Cependant, cette technologie a un énorme potentiel dans un domaine en pleine croissance – les «fermes» de batteries pour stocker l’énergie produite par des méthodes dites vertes. Par exemple, les panneaux solaires produisent et injectent de l’énergie dans le réseau pendant la journée, mais l’excédent est stocké dans des batteries oxygène-ion pour être disponible pendant les heures sombres de la journée. Voyant la large application de cette invention dans le futur, l’équipe de l’Université technique de Vienne a déjà préparé une demande de brevet.