« Recharge en une minute », « une batterie qui dure vingt ans », « compacte et qui peut se plier »… Les annonces de batteries révolutionnaires se suivent et se ressemblent. Pourquoi croit-on à chaque fois à la solution miracle, alors que les progrès dans la réalité sont beaucoup plus lents ? Derrière le brouhaha médiatique, quelles technologies apporteront bientôt de réelles améliorations ?
Les batteries sont essentielles au développement de l’économie nomade et d’un système énergétique s’éloignant des énergies. Malgré des progrès certains – les coûts des batteries pour voiture ont baissé d’environ 14 % par an entre 2007 et 2014 par exemple – les batteries actuelles restent insuffisantes : autonomie faible, recharge lente, obsolescence rapide…
Batteries : à quand le miracle ? Point sur les avancées technologiques
Les recherches sont donc intenses. L’enjeu est de taille : le marché de la batterie pourrait doubler pour atteindre 53,7 milliards de dollars en 2020, quand il était à 11,8 milliards de dollars en 2010.
Alors que pour les semi-conducteurs, la loi de Moore prédit un doublement des performances environ tous les deux ans. Pour les batteries, l’expérience indique plutôt une amélioration de la densité énergétique de 5 % par an.
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Les limites des batteries actuelles
Le lithium est enclin à s’échauffer et prendre feu. Pour éviter ce problème, les batteries au lithium d’aujourd’hui combinent un électrolyte au lithium (qui conduit l’électricité par les mouvements des ions), avec une anode de silicone ou graphite (qui envoie l’électricité dans votre appareil), qui limite la quantité d’énergie qui peut être stockée.
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Après 500 recharges et décharges, environ, une batterie traditionnelle va montrer de réels signes de faiblesse. C’est aussi la crainte qui amène les constructeurs automobile à proposer des systèmes de location de batterie. Des batteries plus performantes nécessitent donc de nouvelles technologies.
La quête du Graal : caractéristiques essentielles des batteries du futur
On attend beaucoup de la batterie du futur. Les qualités suivantes sont les principales que recherchent les fabricants, sachant que chaque batterie doit faire un compromis.
Coût bas
Jusqu’ici il a été plus économique de développer une surcapacité de production d’électricité et de la sous-utiliser que de développer les moyens de stocker l’électricité. Le point de bascule, en prenant en compte toute la durée de vie des équipements et les quantités d’électricité fournies dans des conditions de fonctionnement normales, se situerait aux alentours de 0,20-0,27 dollar/kWh.
Pour les voitures, les coûts peuvent être réduits en faisant des économies d’échelle. C’est le pari de la méga usine d’Elon Musk, le patron de la firme automobile Tesla, qui construira des centaines de milliers de batteries par an, et permettrait une réduction des coûts de 30 % à 50 % à terme, mettant le prix du moteur électrique en dessous de celui du véhicule à carburants fossiles.
Pour les énergies renouvelables, connecter des batteries du type de celles que vous utilisez dans vos téléphones serait prohibitif en termes de coûts. Des sociétés telles Ambri et Eos Energy Storage travaillent à la prochaine génération de batteries qui permettrait de réduire les coûts significativement pour les producteurs d’électricité, aux alentours de 150-230 dollars/kWh, un niveau qui devrait être atteint selon les analystes de Citibank (URL) d’ici 2030.
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Mais chez Eos, on revendique la possibilité déjà d’atteindre un coût de 160$/kWh et un coût global aux alentours de 0,12 dollars/kWh, donc sous le point de bascule. Les investisseurs se précipitent à leur porte. La société a déjà levé 15 millions de dollars, et en lèvera prochainement 10 de plus.
Capacité de stockage et sécurité
Plus on pourra stocker d’énergie dans un espace limité à moindre coût, mieux ce sera. C’est essentiel pour les applications portables.
Selon Elon Musk, les voitures électriques doivent dépasser 300 km d’autonomie pour concurrencer les voitures classiques.
Aujourd’hui, les batteries de voiture électrique ont une densité énergétique comprise, approximativement, entre 100 et 150 Wh/kg. La Renault Zoé a une densité de 157 Wh/kg. Les constructeurs visent plus de 200 Wh/kg, avec certains chercheurs promettant des performances dépassant les 500 Wh/kg. La difficulté est de maintenir ces performances au-delà des premières recharges.
S’il était possible d’utiliser du lithium à l’anode elle-même, la capacité des batteries pourrait être multipliée par 4. C’est l’objet des travaux du Pr. Yi Cui de l’université de Stanford. Il affirme que l’autonomie des téléphones pourrait être multipliée par 3 et celle des voitures atteindre 500 km et promet « un prototype commercial dans 5 ans ». Jusqu’ici les batteries à anode à lithium perdaient 4 % de leur efficacité à chaque recharge et mourraient après 25 cycles de recharge.
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