Les défis du stockage de l’énergie en faveur d’une mobilité et d’une consommation énergétique plus verte

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La biomasse a été pendant des siècles la seule source d’énergie. La révolution industrielle du XVIIIe siècle a remis en cause cet équilibre avec l’introduction des moteurs thermique et de l’électricité conduisant notre société vers une dépendance croissante aux énergies fossiles. Depuis la prise de décisions historique lors de la COP21, la lutte contre le réchauffement climatique est devenue un enjeu stratégique majeur.  ABGI vous propose d'étudier les défis du stockage de l'énergie en faveur d'une mobilité et d'une consommation énergétique plus verte.

Pour lutter contre le réchauffement climatique il est nécessaire diminuer nos émissions de CO2 .Cela implique de réduire la consommation d’énergie fossiles (pétrole, charbon, et gaz) via deux voies majeures :

  • Tout d'abord, une transition vers les énergies renouvelables; via notamment le déploiement de solutions alternatives de production d’énergie, comme l’éolien ou le solaire disponibles en quantités illimités.
  • Puis, le remplacement progressif des véhicules à moteur thermique par des véhicules à moteur hybride ou tout électrique en faveur d’une mobilité plus verte.

Il est donc nécessaire de développer des systèmes de stockage de l’énergie performants permettant :

  • De décaler dans le temps la production de la demande d’énergie.
  • Ou d'assurer une autonomie accrue de la mobilité.

Les batteries lithium-ion (Li-ion) sont donc notre plus grand espoir.

 

La batterie Lithium-ion

 

Une batterie ou accumulateur est un dispositif électrochimique qui permet de convertir de l’énergie chimique en énergie électrique. Il est composé de deux électrodes (bornes positive et négative) séparées par un isolant électrique poreux, imprégné d’électrolyte.

Chaque électrode se compose d’un collecteur de courant recouvert d’un matériau actif, couples oxydant/réducteur.

Création d'électricité

Lorsque la batterie est connectée à un équipement à alimenter, des ions Li+ sont libérés à l’électrode négative par oxydation de lithium métallique (Li), et des ions lithium (Li+) sont intercalés à l’électrode positive. Chacune des électrodes va jouer le rôle de matériau hôte pour les ions Li+, accompagnant l’intercalation ou la dé-intercalation des ions Li+.

Lors de ce processus, l’ion lithium change de degré d’oxydation induisant la libération ou la consommation des électrons. Dans ces accumulateurs, le lithium n’est présent que sous forme d’ions. Pour rappel, la cellule est l’élément unitaire (accumulateur comprenant deux électrodes). Et la batterie est le système global qui implique la mise en série et (ou) en parallèle des cellules et son packaging.

L’électrode négative est à base

  • De carbone graphite C.
  • De silicium (Si).
  • Ou encore de titane (Ti).

Et l’électrode positive est généralement

  • Un oxyde de cobalt lithié (LiCoO2).
  • Ou un oxyde de manganèse lithié (LiMnO4).
  • Ou encore un phosphate de fer lithié (LiFePO4) (Figure 1).

 

Les défis du stockage de l'énergie en faveur d'une mobilité et d'une consommation énergétique plus verte

Figure 1 : Représentation schématique d’une batterie Li-ion et des principaux matériaux d’électrode
positive (+) et négative (-) présent dans les accumulateurs commerciaux.  [1]

 

Des progrès parfois assez lents

Depuis la première batterie au plomb en 1859 jusqu’à l’émergence de la technologie Li-ion et sa première commercialisation en 1991 par Sony, la densité d’énergie des accumulateurs a quintuplé en 150 ans pour atteindre 220Wh/kg.

Il s’agit d’un progrès notable mais qui reste modeste en comparaison de l’évolution de nos processeurs informatiques dont la capacité de traitement double tous les 18 mois selon la célèbre loi de Moore.

 

Le développement des batteries pour le stockage stationnaire  (réseau électrique)

 

Le développement des énergies renouvelables va de pair avec l’augmentation des capacités de stockage pour ne pas déstabiliser les réseaux électriques. En effet, au-delà du fait que cela demande du temps pour améliorer ces technologies et les implémenter progressivement dans le schéma de production d’énergie actuel, les énergies renouvelables souffrent d’un défaut majeur : elles sont intermittentes par nature.

  • La production d’énergie par les éoliennes est soumise aux variations des conditions climatiques. Elle ne permet pas d’assurer avec certitude l’alimentation en énergie des foyers et des industries.
  • De même, la production d’électricité durant la journée par des panneaux photovoltaïques ne peut pas être directement utilisée pour éclairer la nuit.

Enfin, la production d’énergie est bien souvent décentralisée des lieux de consommation.

Le stockage d'énergie est donc la clé pour intégrer les énergies renouvelables dans le réseau depuis la génération jusqu’à la consommation. Les efforts de recherche se focalisent donc actuellement sur le développement de containers aux capacités de stockage accrues.

Ces containers devront être implémentés en fonction de la capacité de stockage du container de :

  • Systèmes de sécurité.
  • Système de  contrôle du comportement thermique.
  • En raison du caractère inflammable du lithium.

La principale problématique du stockage stationnaire reste le coût associé à la durée de vie, du fait de l’espace généralement disponible pour installer les batteries [2].

L’implantation de la technologie Li-ion  devrait donc s’accélérer dans les prochaines années dans le stockage stationnaire.  Même si, pour cette application, le Li-ion devrait être une technologie parmi d’autres (Na-S, redox flow, et piles à combustibles).

 

Le développement des batteries Li-ion pour la mobilité électrique

 

La problématique de la mobilité électrique diffère fortement de celle du stockage stationnaire.

La batterie représente aujourd’hui un tiers du poids et du coût d’un véhicule neuf. Et elle rend un avion électrique long-courrier si lourd qu’il lui est impossible de décoller.

 

Pour une capacité accrue et un espace réduit de stockage

Les principaux efforts de recherche dans le domaine de la mobilité verte porte sur le développement de batteries

  • Aux capacités de stockage élevées pour une autonomie accrue.
  • Dans un espace de plus en plus réduit.

 

Les batteries des véhicules électriques

Les systèmes les plus énergétiques utilisent les oxydes lamellaires à base de cobalt (Co). Partant de LiCO2, les défis technologiques étaient

  • De diminuer la teneur en Co, élément actif mais dont le coût et les conditions d’extraction posent problème.
  • Et d’augmenter la stabilité du matériau pour éviter de provoquer un emballement thermique lié à l’instabilité du composé à l’état chargé.

Les travaux de recherche et développement effectués  ont permis l’atteinte de densité d’énergie élevée avec

  • L’intégration des ions Aluminium Al3+ et Ni3+ . On parle de famille des NCA.
  • L’utilisation des ions Mn4+ et Ni3+ pour stabiliser le réseau. On parle de la famille des NMC.

A l’heure actuelle, les familles NCA et NMC sont aujourd'hui utilisées dans les accumulateurs des véhicules électriques.

 

Les batteries de puissance pour la mobilité verte

Le LiFePO4 est un autre type de matériau d’électrode positive. Il a donné naissance à la chimie dite LFP. La densité d’énergie du LFP est plus faible que les familles des NMC et NCA. Mais cette chimie possède une puissance plus élevée grâce à la structure du LFP qui permet une diffusion rapide des ions Li+. Elle présente aussi des avantages en termes de sécurité puisqu’elle ne contient pas de Cobalt, ce qui limite les risques d’emballement thermique.

Les applications de ce type de batteries Li-ion sont donc principalement utiles pour les bus électriques où le besoin en puissance est important.

 

Perspectives dans le domaine du stockage de l’énergie et prochaines innovations

 

La batterie Li-ion, sous toutes ses déclinaisons, est en route pour dominer le marché du stockage électrochimique dans les prochaines décennies. Les travaux de recherche et développement continuent bien évidemment pour faire évoluer cette technologie dite Li-ion avancé et portent principalement sur :

  • Les matériaux d’électrode en vue d’augmenter la capacité de stockage d’énergie intrinsèque des cellules. Au niveau des anodes (borne négative), la principale piste explorée est de trouver des formulations d’électrodes adaptées. Ceci afin de pouvoir augmenter le taux de Si dans les électrodes négatives et augmenter par conséquent l’énergie. Au niveau de la cathode, les travaux portent sur les matériaux riches en Ni des familles NCA et NMC; mais également sur les phases riches en Lithium dont la durée de vie des matériaux et donc le nombre de cycles avant dégénérescence, doit être améliorée.
  • Ainsi que l’électrolyte et sa stabilité à la tension de fonctionnement.
  • La réduction du temps de charge des batteries et l’augmentation de sa durée de vie.
  • Le contrôle de l’état de santé des batteries Li-ions.
  • Et aussi la sécurité des batteries et le contrôle de l’emballement thermique.
  • Enfin, le procédé de fabrication afin d’améliorer la qualité finale du produit, réduire la quantité de matériaux utilisée, et diminuer les coûts de fabrication.
  • Puis le packaging des batteries généralement en acier ou en aluminium. Les défis concernent alors la sécurité en cas de crash pour le domaine de la mobilité. Ou encore en termes d’allégement et de résistance à la corrosion.

 

Vers une batterie tout solide

 

Une autre stratégie pour développer le stockage électrique en Europe est de bâtir un projet autour d’une nouvelle technologie de batterie, avec l’utilisation d’électrolytes solides plutôt que  liquides.

C’est le projet surnommé « Airbus des batteries » porté conjointement par la France et l’Allemagne et plusieurs industriels dont SAFT du groupe Total pour la fabrication de batteries et Peugeot groupe PSA côté Français.

Ce projet a reçu le soutien de l’Union Européenne fin 2019 au travers d’une subvention de plusieurs milliards d’euros.

Le projet s’articule autour du développement de la technologie tout solide, c’est-à-dire dans la fabrication de batteries où l’électrolyte liquide est remplacé par un électrolyte solide, organique (polymère) ou inorganique (céramique). L’intérêt de la technologie tout-solide repose sur la possibilité d’utiliser le lithium à l’état métallique comme électrode négative permettant une densité d’énergie accrue et une amélioration de la sécurité.

Il faut encore résoudre plusieurs verrous scientifiques et technologiques pour arriver à développer ces batteries avec en premier lieu le problème de la stabilité des interfaces et l’adaptation des outils de production industriels.

 

Enjeu du recyclage des batteries

 

Enfin, le recyclage des batteries est un des enjeux majeurs pour une transition écologique. Le recyclage permettra de :

  • Récupérer le lithium
  • Diminuer la pression sur l’exploitation des ressources de lithium mais aussi pour les autres composants.

Cette activité, déjà présente (société SNAM en France pour exemple), se développe fortement en réponse aux besoins des fabricants de batteries. Aussi, les besoins européens en traitement pourraient s'élever à 50.000 tonnes de batteries dès 2027, selon le comité stratégique de filière (CSF) Mines et Métallurgie. Ainsi, des travaux de recherche sont également réalisés pour améliorer le rendement des procédés pyro- ou hydro-métallurgiques utilisés pour le recyclage des batteries Li-ions.

 

 

Les défis du stockage de l'énergie en faveur d'une mobilité et d'une consommation énergétique plus verte 1

 


Léa DOUBSTOF
Consultante en Financement de l'Innovation
ABGI France

 

 


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Bibliographie

  • Encyclopedia Universalis, « Stockage de l’énergie électrique »P. Simon et al., 2020
  • “Li-ion batteries for mobility and stationary storage applications, Scenarios for costs and market growth,” I. Tsiropoulos, D. Tarvydas, N. Lebedeva, EU report 2018; doi: 0.2760/87175

 

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