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Le lithium polarise la recherche

Anne Orliac
Sous toutes ses formes, le lithium suscite l'essentiel des recherches. Mais d'autres technologies sont à l'étude...

«En pariant que l'avenir nous réserve une solution dans le lithium, on est sûr de ne pas se tromper. » En quelques mots, Michel Armand, directeur de recherche au laboratoire de réactivité et chimie des solides (LRCS) d'Amiens, résume parfaitement la situation de la R&D dans le domaine des batteries. Les plus prometteuses des technologies contiennent bien du lithium. À commencer, bien sûr, par les prochaines générations de Li-ion. Nouveaux matériaux d'électrodes, parmi lesquels les composés organiques, nouvelles structures d'électrodes, nouveaux cocktails d'additifs ou nouvelles formulations d'électrolytes : autant de sujets à l'étude qui porteront leurs fruits dans les années qui viennent.

Et puis, il y a le fameux Li-air, dernière déclinaison de la batterie métal-air. Plus question d'échange d'ion lithium ; ici, l'oxydation du métal par l'oxygène fait apparaître un courant dans le circuit externe. Et l'air ne pesant presque rien, on peut espérer stocker grâce à une telle batterie une grande quantité d'énergie pour très peu de poids. Vieux rêve des fabricants qui inspire toujours les laboratoires de recherche et des sociétés comme ReVolt Technology et Toyota.

Jusque-là, ce sont les batteries Zn-air qui ont suscité le plus d'intérêt. Elles sont même utilisées dans de petits systèmes, comme les appareils auditifs, malgré un sacré inconvénient : elles ne sont pas rechargeables électriquement.

La technologie Li-air est loin d'être mature

« Pour réutiliser la batterie, il faut régulièrement sortir la plaque sur laquelle était posé le zinc, devenu oxyde et la recharger en zinc frais », commente Yves Chabre, spécialiste des batteries et consultant auprès de divers fabricants. Ce ne sera pas le cas avec les batteries Li-air, à l'étude surtout dans des laboratoires de recherche. « Sur le papier, la batterie Li-air, c'est magnifique ! », s'enthousiasme Jean-Marie Tarascon, professeur au LRCS. On peut espérer doubler, voire tripler la densité énergétique par rapport à celle des batteries Li-ion. Mais la technologie est loin d'être mature. Selon le chercheur, il faudra attendre plusieurs décennies pour que l'on puisse régler le principal problème de ce couple si prometteur : ses électrodes. « D'un côté on a une électrode à air, celle qui pose tant de problèmes pour les piles à combustible, et de l'autre, une électrode de lithium métal, qui fut longtemps le cauchemar des batteries au lithium. » Car les meilleurs rendements des électrodes à air classiques sont obtenus avec, pour catalyser, des particules de platine, très chères et qui deviennent facilement inactives. Le lithium de son côté a la fâcheuse tendance de se déposer de manière anarchique sur les électrodes et former ainsi des dendrites, de vilaines excroissances qui peuvent finir par relier les deux électrodes et provoquer des courts-circuits, voire une explosion.

C'est une complication que devront aussi affronter ceux qui s'intéressent aux batteries Li-soufre. Elles auraient une densité énergétique comparable aux Li-air, « mais l'électrode de soufre donnera légèrement moins de fil à retordre que celle à air. Sans être parfaite pour autant : le soufre pose des problèmes de durée de vie car il se dissout dans l'électrolyte », commente Jean-Marie Tarascon. La société Polyplus Battery Company, en Californie (États-Unis), parie pourtant sur ces deux technologies, Li-air et Li-soufre, ainsi que sur une troisième plutôt originale : le Li-eau de mer, cette dernière contenant, comme l'air, de l'oxygène. Décidément, il y en a pour tous les goûts !

Valence Technology, lui, parle même d'une batterie symétrique. L'anode et la cathode, baignant dans un électrolyte à base de lithium, seraient couvertes de la même matière active, un composé à base de lithium, de fer, de phosphate et de vanadium par exemple. Selon la société américaine, elle serait intrinsèquement sûre, mais aurait une densité d'énergie faible.

Également des projets sans lithium

Valence Technology imagine aussi des batteries sodium-ion. Comparables aux Li-ion en termes de densité énergétique, elles utiliseraient des matériaux actifs peu coûteux. Enfin un projet de recherche sans lithium ! Les autres, menés par de petites sociétés pour la plupart, cherchent plutôt à remettre au goût du jour des technologies, comme le Ni-Zn et l'Ag-Zn, délaissées à cause de leur très faible durée de vie : le zinc et l'argent passent facilement en solution et leurs électrodes doivent régulièrement être rechargées. Une fois ce problème de longévité résolu, ces jeunes entreprises espèrent concurrencer les Li-ion sur des marchés de niche en tirant parti de leurs avantages : un coût de fabrication faible pour les Ni-Zn, une excellente densité énergétique pour les Ag-Zn et une bonne sécurité pour chacune.

« Le Li-ion est une technologie brillante, mais elle présente des problèmes de coût et de sécurité », explique Jacques Doniat, le président de SCPS, une société française qui a misé sur les deux technologies. « Nos batteries Ni-Zn pourraient trouver leur place dans des applications industrielles, dites stationnaires : alimentation de sécurité pour le matériel informatique, stockage d'énergie pour les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques, deux-roues... » Les applications envisagées par la société ZPower, qui travaille sur la technologie Ag-Zn, sont autres : mobiles, ordinateurs portables et appareils élec- troniques. Ce n'est pas un hasard : ces appareils sont toujours plus exigeants en termes de consommation d'énergie et, justement, la batterie Ag-Zn en stocke à revendre. « La densité énergétique (par unité de volume, NDLR) de l'Ag-Zn est de 40 % plus grande que celles des batteries Li-ion classiques », commente Ross Dueber, le PDG de ZPower.

Enfin, il circule des idées très futuristes sur lesquelles personne ne travaille encore, comme les électrodes qui n'échangeraient plus leurs ions lithium mais les plus petites particules que l'on puisse imaginer : des protons ! Ou encore les batteries aux électrodes de magnésium et de soufre, ou d'aluminium et de fluorine. Mais pour l'instant, les chercheurs en savent très peu sur les cinétiques des réactions mises en jeu et donc sur les performances éventuelles de ces batteries. Que les producteurs de lithium se rassurent, il leur reste de beaux jours devant eux.

ÉLECTRODESNANO, MAIS PAS TROP

« Les nanoparticules ne résoudront pas tous les problèmes des batteries. » Sébastien Martinet, du CEA-Liten, tient à remettre les choses à leur place. Certes, couvrir les électrodes de nanoparticules de matière active augmente considérablement la surface d'échange, et donc la vitesse de la réaction qui se joue entre les électrodes, et aussi sec la batterie gagne en puissance. « Mais on voit aussi se développer aussi plus rapidement les problèmes liés à l'utilisation de la batterie : elle peut perdre beaucoup plus vite en capacité, par exemple. Et puis il est très difficile de déposer des nanoparticules sur une électrode de plusieurs dizaines de microns d'épaisseur. » C'est pourquoi le CEA s'intéresse plutôt à des nanostructures : des particules micrométriques de cristaux qui eux seront nanométriques. Les batteries n'ont pas fini de faire des compromis.

MATÉRIAUXLI-ORGANIQUE : DES ÉLECTRODES À BASE DE MAÏS

En voilà une qui pourrait bien voler la vedette à la fois aux biocarburants mais aussi aux batteries classiques ! Cette batterie très verte est à l'étude au LRCS/ICP d'Amiens. Comme dans les Li-ion, un courant naît dans le circuit externe du fait que des ions lithium sont échangés entre les deux électrodes. Or, cette fois, anode et cathode seront fabriquées à partir de matières organiques. Des composés actifs ont été identifiés, mais les chercheurs ont déjà bien réfléchi à la chaîne de fabrication. La matière première sera extraite de plantes, comme le maïs, sans même faire concurrence aux producteurs de biocarburants puisqu'elle pourra provenir de leurs reliquats. La transformation des résidus en matière active se fera à température ambiante. « Et une fois la batterie en fin de vie, il n'y a plus qu'à tout brûler : le CO2 produit reviendra alors à la plante. Au final, le bilan d'émission en CO2 est nul », explique Jean-Marie Tarascon, qui travaille sur le projet. Alors, cette batterie n'a-t-elle que des avantages ? Pas tout à fait, car les matériaux organiques sont peu denses par rapport à ceux utilisés dans les batteries Li-ion. « La densité d'énergie par unité de poids sera meilleure qu'avec les Li-ion, mais par unité de volume, elle sera moins favorable », commente Jean-Marie Tarascon. On ne peut pas avoir toutes les qualités.

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