Un guide des avancées récentes en matière de batterie

Les véhicules électriques, les hybrides et les énergies renouvelables ont au moins une chose en commun : si elles doivent un jour être plus largement utilisées, représentant la majorité des voitures sur la route ou une grande partie de l'approvisionnement en électricité, les batteries doivent s'améliorer considérablement. . Les batteries devront stocker plus d'énergie, la fournir plus rapidement et de manière plus fiable et, en fin de compte, coûter beaucoup moins cher. Les manières spécifiques dont les batteries doivent être améliorées varient selon l'application, mais dans tous ces domaines, les chercheurs ont fait des progrès significatifs.

La semaine dernière, des chercheurs du MIT dirigés par Yang-Shao Horn, professeur de science et ingénierie des matériaux et de génie mécanique, et Paula Hammond, professeur de génie chimique, ont annoncé une nouvelle approche des batteries lithium-ion haute puissance, le type qui est utile pour les véhicules hybrides ou pour stabiliser le réseau électrique. Les batteries haute puissance acceptent et délivrent une charge rapidement. Dans les hybrides, l'objectif est de compléter le moteur à essence, lui permettant de fonctionner au maximum de son efficacité. La batterie entraîne la voiture à basse vitesse sur de courtes distances et accélère l'accélération, réduisant ainsi la sollicitation du moteur. Il capte également l'énergie du freinage qui serait autrement perdue sous forme de chaleur. Pour le réseau électrique, de telles batteries pourraient amortir les changements dans l'offre et la demande d'électricité, ce qui devient de plus en plus important à mesure que des sources d'électricité plus variables sont introduites, telles que l'énergie éolienne et solaire.

Les chercheurs du MIT ont démontré une nouvelle électrode de batterie, basée sur des nanotubes de carbone spécialement traités, qui durent des milliers de cycles sans aucune perte de performance. Les batteries fabriquées à partir de ces électrodes pourraient fournir suffisamment de puissance pour propulser de grandes camionnettes de livraison ou des camions à ordures, par exemple, sans que les batteries soient trop lourdes pour être pratiques. (Les chercheurs doivent augmenter l'épaisseur des électrodes pour qu'elles soient pratiques dans ces applications.) Des entreprises telles que A123 Systems, basées à Watertown, MA, ont également développé des batteries lithium-ion de très haute puissance, et d'autres groupes universitaires et Les startups développent des ultracondensateurs à base de nanotubes de carbone, qui stockent l'énergie à l'aide d'un mécanisme différent de celui des batteries, particulièrement utile pour une puissance élevée et une longue durée de vie.

Alors que les nouvelles électrodes pourraient éventuellement être utiles pour les hybrides et pour stabiliser le réseau, elles ne sont pas particulièrement adaptées à d'autres applications telles que les véhicules tout électriques. Pour les véhicules électriques, la quantité totale d'énergie stockée par les batteries est plus importante que la vitesse à laquelle cette énergie peut être fournie, car c'est la quantité totale qui détermine la distance que ces voitures peuvent parcourir entre les charges. Les chercheurs du MIT qui ont développé les nouvelles électrodes à nanotubes de carbone développent également un type de batterie différent pour stocker de grandes quantités d'énergie. Appelée batterie lithium-air, où l'une des deux électrodes d'une batterie est remplacée par une interface avec l'air, la technologie a récemment attiré d'importants financements gouvernementaux et suscité l'intérêt d'entreprises telles qu'IBM. En théorie, de telles batteries pourraient stocker trois fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion conventionnelles. Mais la conception présente un certain nombre de problèmes qui rendent sa commercialisation difficile, parmi lesquelles la vulnérabilité de ses matériaux actifs à l'humidité (le lithium métal qu'il utilise peut s'enflammer s'il est mouillé) et la tendance des batteries à cesser de fonctionner après avoir été rechargées juste parfois.

À l'instar des batteries lithium-air, d'autres technologies potentielles de batteries à haute énergie sont confrontées à un certain nombre d'obstacles, ce qui pourrait expliquer pourquoi les hybrides avec leurs batteries à haute puissance plutôt qu'à haute énergie ont eu plus de succès que les véhicules électriques. La plupart des chimies de batteries les plus prometteuses sont trop difficiles à fabriquer à grande échelle, s'effondrent après quelques cycles ou sont trop chères. Selon le département américain de l'Énergie, les batteries complètes coûtent aujourd'hui entre 800 $ et 1 200 $ le kilowattheure et stockent environ 100 à 120 wattheures par kilogramme. Pour rendre les véhicules électriques pratiques et abordables, le DOE aimerait voir les coûts baisser à 250 $ par kilowattheure et augmenter la capacité de stockage à plus de 200 wattheures par kilogramme. (Atteindre ces objectifs nécessitera des capacités de stockage encore plus élevées pour les cellules de batterie individuelles qui composent les blocs-batteries – environ 400 wattheures par kilogramme.)

Bien qu'il soit difficile d'améliorer les batteries pour les véhicules hybrides et électriques, l'un des plus grands défis à long terme pour les chercheurs sur les batteries est de fabriquer des batteries qui peuvent stocker à moindre coût de grandes quantités d'énergie générées par les panneaux solaires et les éoliennes, de sorte que l'électricité provenant de ces sources soit disponible lorsque le soleil ne brille pas ou le vent ne souffle pas. Pour l'instant, de telles batteries ne sont pas nécessaires - il y a suffisamment d'énergie provenant de sources conventionnelles pour prendre le relais. Mais si le solaire et l'éolien doivent un jour fournir la majorité de l'électricité, le stockage sera nécessaire et les batteries sont aujourd'hui beaucoup trop chères. L'objectif du DOE pour de telles batteries est inférieur à 100 $ par kilowattheure, soit moins de la moitié de son objectif pour les véhicules électriques. Il est moins cher aujourd'hui de construire une centrale électrique au gaz naturel comme source d'alimentation de secours, ou de stocker de l'énergie en pompant de l'eau en amont, où elle peut ensuite s'écouler en aval pour faire tourner un générateur. Une approche expérimentale de ces batteries bon marché est ce qu'on appelle une batterie liquide, qui utilise des matériaux de batterie peu coûteux qui s'assemblent eux-mêmes.

Même si les problèmes de batteries sont résolus en laboratoire, ces technologies rencontrent des obstacles à leur commercialisation. Pour réduire les coûts, les fabricants de batteries se tournent vers des applications autres que les véhicules électriques et le réseau pour lancer de nouvelles technologies, des applications telles que la microélectronique, les outils électriques et les voitures de course. Les hybrides rechargeables peuvent également servir de passerelle vers les véhicules électriques. Les plug-ins utilisent des générateurs de secours à essence pour aider à étendre leur autonomie, permettant aux constructeurs automobiles d'utiliser des batteries plus petites et moins chères que celles dont ils auraient besoin pour les véhicules électriques. Les constructeurs automobiles tels que GM, avec sa Chevrolet Volt qui sortira cette année, adoptent cette approche. Les véhicules électriques en vente actuellement, et qui le seront dans les prochaines années, sont soit des voitures de sport chères et des véhicules de luxe, où les coûts peuvent être élevés, soit leurs coûts initiaux sont réduits grâce à un financement créatif, tel que la location de batterie. packs ou en proposant des forfaits par mile, comme les forfaits à la minute proposés par les compagnies de téléphonie mobile.

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