À l’automne 2021, la 26^e conférence des Nations unies sur les changements climatiques (COP 26) s’est réunie à Glasgow pour élaborer des accords visant à réduire les émissions de gaz à effet de serre et à prévenir l’accélération du changement climatique. La COP 26 s’est appuyée sur l’accord de Paris pour limiter le réchauffement de la planète à moins de 2 degrés Celsius en réduisant à zéro les émissions nettes de dioxyde de carbone (CO2). Ces deux accords détermineront la manière dont les gouvernements et les industries collaboreront pour réduire le changement climatique au cours de la prochaine décennie.

L’un des accords clés du Pacte de Glasgow pour le climat invite les nations à « accélérer le développement, le déploiement et la diffusion des technologies, ainsi que l’adoption de politiques, afin d’opérer une transition vers des systèmes énergétiques à faibles émissions » en « intensifiant rapidement le déploiement de la production d’électricité propre et des mesures d’efficacité énergétique. » Face à cette priorité accordée aux énergies propres, il est nécessaire d’accélérer « les efforts en vue de la réduction progressive de l’électricité produite à partir du charbon non adossée à des dispositifs de captage ou de stockage de carbone et des subventions inefficaces aux énergies fossiles ». Ce pacte est le premier accord des Nations Unies sur le climat qui contient une mention explicite du charbon et des combustibles fossiles.

La réduction des émissions de dioxyde de carbone implique de nombreuses stratégies complémentaires. Les climatologues indiquent que nous pouvons optimiser nos efforts en nous focalisant sur l’adoption de sources d’énergie renouvelables et sur une plus grande efficacité énergétique des transports. L’analyse économique de l’ONU positionne les batteries au lithium-ion comme un puissant atout dans la stratégie de réduction du changement climatique dans les secteurs de l’énergie et des transports.

Si les batteries au lithium-ion elles-mêmes ne produisent pas d’énergie, elles représentent une solution de stockage efficace pour renforcer les systèmes écoénergétiques. La variabilité est un inconvénient majeur des énergies renouvelables que sont le solaire et l’éolien. Les batteries au lithium-ion peuvent stocker l’énergie de ces sources et lisser leurs éventuelles insuffisances de production pour la distribution d’énergie, renforçant ainsi la fiabilité de l’énergie verte et la capacité finale de génération d’électricité.

Bien que Sony ait introduit pour la première fois les batteries au lithium-ion pour l’électronique grand public en 1991, celles-ci sont de plus en plus réputées pour leur pouvoir écologique dans les transports. Les passagers de voitures électriques alimentées par des batteries au lithium-ion réduisent leurs émissions de gaz à effet de serre d’environ deux tiers par rapport aux voitures à carburant (à condition que la génération d’électricité « de la source à la roue » s’effectue à partir de sources renouvelables). Les voitures électriques ne sont pas non plus les seuls véhicules à adopter les batteries au lithium-ion ; « les vélos, les scooters, les bus, les camions et même les ferries » sont de plus en plus alimentés par des batteries, tandis que l’aviation et les transports maritimes commencent également à faire des progrès, selon l’ONU. Si les autobus et les camions électriques sont de plus en plus répandus dans les centres-villes, les véhicules électriques lourds devant parcourir de grandes distances sont encore hors de portée. Les batteries au lithium-ion n’offrent pas la densité énergétique nécessaire pour concurrencer le coût et l’efficacité du carburant pour les camions de transport de marchandises et les cars sur de longues distances.

Les scientifiques spécialistes des batteries doivent se préparer à une demande croissante de batteries au lithium-ion destinées aux véhicules électriques et au stockage de l’énergie verte. Ces domaines exigent des batteries au lithium-ion des capacités exclusives que les développeurs doivent prendre en compte.

Exigences vis-à-vis des batteries pour les véhicules électriques et les transports

Quel facteur ferait le plus probablement passer un acheteur de voiture du carburant à l’électrique ? Les constructeurs de véhicules sont d’accord : l’autonomie est le facteur le plus important pour les batteries au lithium-ion destinées aux véhicules. Les véhicules électriques peuvent dominer le marché si le nombre de pauses de recharge qu’ils nécessitent est inférieur au nombre de pleins d’essence dont leurs homologues à carburant ont besoin. De plus, l’autonomie accrue des batteries au lithium-ion facilitera l’adoption de cars, de camions de transport et d’avions électriques.

La sécurité constitue une autre préoccupation majeure pour les véhicules électriques, notamment après la révélation des affaires d’incendies de batteries chez General Motors et Tesla. General Motors a rappelé ses batteries de Chevrolet Bolt après plusieurs cas d’incendie, mais le problème était dû à une question de contrôle qualité, et non à une faiblesse inhérente à la conception ou aux capacités de la batterie. Tesla affirme que ses batteries sont absolument sûres et la U.S. National Highway Traffic Safety Administration (agence fédérale des États-Unis chargée de la sécurité routière) a convenu qu’il n’y avait pas matière à s’inquiéter. La durée de vie est également une préoccupation majeure, car les consommateurs s’attendent à ce que leurs voitures électriques durent des années, voire des décennies, comme les véhicules à carburant. Les batteries de véhicules électriques doivent donc avoir une durée de vie élevée, c’est-à-dire une capacité à être déchargées et rechargées de nombreuses fois avant que leurs performances ne baissent.

La puissance, ou la capacité de consommer rapidement de l’énergie, est une préoccupation secondaire pour la voiture électrique d’un consommateur moyen. Un conducteur a besoin de puissance pour accélérer rapidement et éviter un accident, mais cette accélération n’exige pas une puissance démesurée de la batterie au lithium-ion. Toutefois, les voitures de course sont un exemple particulier de véhicule électrique qui exige une puissance plus élevée pour assurer une accélération maximale. La densité énergétique ne constitue pas non plus une priorité absolue pour les véhicules électriques grand public, puisque les batteries au lithium-ion sont déjà suffisamment légères pour une voiture moyenne. La densité énergétique est plus importante pour les progrès de l’avion électrique. De même, le coût ne constitue pas actuellement une priorité majeure en matière d’innovation. Les batteries au lithium-ion pour les véhicules électriques ont déjà fait de grands progrès pour atteindre des coûts accessibles aux consommateurs. La réduction des coûts permettrait de mettre les véhicules électriques à la portée d’un plus grand nombre d’acheteurs, mais les constructeurs de ces véhicules sont plus préoccupés par la qualité et la sécurité des batteries, même si elles doivent entraîner un tarif plus élevé.

Exigences vis-à-vis des batteries pour le stockage d’énergie en réseauExigences vis-à-vis des batteries pour le stockage d’énergie en réseau

Bien que les véhicules électriques fassent l’objet de la plus grande attention en ce qui concerne les batteries au lithium-ion, les sources d’énergie renouvelables auront besoin d’un stockage en réseau pour pallier leurs insuffisances de production, comme expliqué ci-dessus. Plusieurs technologies de batterie sont actuellement envisagées, mais celle des batteries au lithium-ion est un candidat de premier plan. L’une des raisons en est que le stockage d’énergie verte exige généralement de charger et décharger les batteries tous les jours, de sorte que leur durée de vie constitue le facteur le plus important pour cette application. Si les batteries du réseau ne disposent pas d’un long cycle de vie, leur remplacement fréquent ne justifierait pas le coût ou la main d’œuvre nécessaires à leur installation. Ensuite, les batteries au lithium-ion doivent être sûres. Les nouvelles solutions dans le domaine de l’énergie doivent être plus sûres que leurs prédécesseurs pour satisfaire les gouvernements et les consommateurs. Après la sécurité, le coût est une considération primordiale. Là encore, les producteurs d’énergie sont à la recherche de meilleures solutions, et il est peu probable qu’ils investissent dans des équipements qui coûtent beaucoup plus cher que leurs systèmes actuels à base de combustibles fossiles.

La puissance, l’autonomie et la densité énergétique sont des facteurs moins importants pour le stockage d’énergie verte. Ces batteries n’ont pas besoin d’une grande puissance pour restituer rapidement de l’énergie ; un flux régulier est suffisant pour alimenter les ménages. Les batteries n’ont pas non plus besoin d’une très grande autonomie, car elles fonctionnent généralement pendant quelques jours tout au plus, jusqu’à ce que l’énergie solaire ou éolienne fournisse à nouveau du courant. Enfin, les batteries n’ont pas besoin d’être particulièrement compactes et d’offrir une forte densité énergétique, puisqu’elles seront utilisées dans des centrales énergétiques et non dans les foyers ou dans les appareils portables des consommateurs. Les producteurs d’énergie peuvent augmenter le stockage d’énergie en associant plusieurs batteries et n’ont pas besoin d’une seule batterie extrêmement dense.

Lorsque les développeurs de batteries optimisent les produits qu’ils conçoivent pour des applications particulières (par exemple l’électronique grand public, les véhicules électriques, le stockage en réseau), ils doivent être en mesure de sélectionner les matériaux offrant la meilleure autonomie, durée de vie, puissance et densité énergétique, tout en vérifiant la sécurité dans différentes conditions. Du fait des nombreuses variables qui entrent en jeu dans le développement et la sélection des matériaux, la mise au point des batteries dépend fortement de la recherche et développement en chimie et en science des matériaux. En fait, selon une récente étude du Massachusetts Institute of Technology (MIT), plus de la moitié de la baisse de coût de 97 % qu’ont connu les batteries au lithium-ion depuis la création de cette technologie est imputable à la recherche et développement en chimie et en science des matériaux. La recherche et le développement sur les matériaux sont donc essentiels pour le succès des batteries au lithium-ion et la caractérisation analytique des propriétés thermiques, rhéologiques et moléculaires des matériaux qui constituent les principaux éléments de la batterie peut conduire à des batteries plus performantes et plus sûres.

Ainsi, l’une des caractéristiques critiques du matériau que vous avez peut-être remarqué lorsque vous utilisez votre ordinateur portable ou que vous prenez votre téléphone après l’avoir chargé est que les batteries au lithium-ion ont tendance à chauffer. Ce réchauffement et ce refroidissement des batteries en fonctionnement signifient que les matériaux de la batterie doivent être caractérisés par une analyse thermique afin de déterminer des paramètres tels que le point de fusion et la température de décomposition du matériau afin que l’ensemble de la batterie fonctionne en toute sécurité. De plus, la fabrication d’une batterie implique un assemblage de particules solides, de liant et de solvant subissant une série de déformations pendant le stockage, le mélange, l’application du revêtement et le séchage. La rhéologie, étude de l’écoulement et de la déformation des matériaux, permet aux chercheurs de comprendre la formation des suspensions, le stockage et la sédimentation des particules dans les batteries pendant ces étapes du processus de fabrication.

Si vous souhaitez étudier comment l’analyse thermique et la rhéologie peuvent vous aider dans votre recherche sur les matériaux des batteries, veuillez visiter le site Web sur la caractérisation des matériaux des batteries de TA Instruments pour en savoir plus.