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La composition des éléments d’une batterie est amenée à évoluer

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Différentes méthodes peuvent assurer le stockage de l’électricité dans le véhicule électrique

La question du stockage de l'électricité dans le véhicule électrique est un enjeu important à l'heure du développement à marche forcée de la mobilité électrique.

Aujourd'hui, les batteries au lithium-ion représentent l'une des principales solutions de stockage énergétique dans le véhicule électrique.

Commercialisés depuis le début des années 1990, les accumulateurs lithium-ion ont pris une place prépondérante sur le marché des batteries ces dernières décennies.

La technologie lithium-ion concentre plusieurs atouts clés qui expliquent son essor aussi bien pour alimenter les téléphones portables que les voitures électriques.

Les batteries lithium-ion, en particulier leur densité d'énergie pour l'autonomie, permettent de satisfaire les contraintes de l'industrie automobile.

Les batteries haute tension de traction d'un véhicule électrique doivent répondre à un cahier des charges strict spécifique: plage de température utile, durabilité, capacité à recharger rapidement, coût, etc.

Certaines de ces contraintes sont difficiles à concilier, la densité d'énergie et la puissance en particulier.

Les équipes de recherche et développement produisent des efforts continus pour optimiser le rapport autonomie/puissance et améliorer l'ensemble des propriétés des batteries lithium-ion.

Ces travaux de recherche vont de pair avec la recherche de procédés réduisant l'impact des batteries sur l'environnement pour en faciliter le recyclage.

De nouvelles méthodes de stockage de l'électricité dans le véhicule électrique sont à l'étude à des stades plus ou moins avancés.

Le domaine des batteries évolue vers de nouvelles technologies qui visent à se substituer au processus classique d'électrolyte liquide utilisé dans les batteries haute tension lithium-ion.

La batterie dite « solide »

Les industriels travaillent sur des batteries dites « tout solide » qui offrent une simplification des matériaux utilisés, une meilleure gestion de la température d'usage, et la possibilité d'accroître la densité énergétique des cellules. C'est notamment la piste explorée par les spécialistes du « lithium-métal » dans laquelle une surface solide en lithium fait office de pôle négatif au sein de la batterie haute tension.

Les industriels parlent également de batteries hybrides, avec différents solides, ou de batteries semi-solides comme alternative prochaine aux batteries haute tension lithium-ion.

Ces travaux de recherche sont à horizon lointain. La commercialisation dans le domaine des véhicules électriques ne devrait pas intervenir avant des années, voire des décennies.

Dans la batterie dite « solide », l'électrolyte liquide utilisé dans les batteries lithium-ion est remplacé par un matériau solide, comme un polymère. La technologie de la batterie dite « solide » attend encore de nombreuses avancées technologiques pour devenir une alternative réelle aux batteries lithium-ion actuelles des véhicules électriques.

La batterie à flux circulant

La batteries à flux circulant (ou « redox flow battery ») exploite deux réservoirs contenant les réactifs et une membrane conductrice ionique. L'avantage de cette technologie est de découpler la partie « énergie » de la partie « puissance ».

Les densités d'énergie sont trop faibles pour une application automobile.

La batterie sodium

Le sodium appartient à la même famille que le lithium. Cet alcalin peut être « substitué » au lithium pour obtenir des batteries dites « sodium-ion ». Le sodium est plus abondant que le lithium sur la planète et ses caractéristiques permettent des performances en puissance plus importantes. La technologie des batteries dites « sodium-ion » est encore au stade de la recherche. Des entreprises cherchent à industrialiser le processus pour une application à haute température à large échelle dans les batteries de véhicules électriques.

La batterie métal-air

La technologie métal-air consiste à utiliser une électrode métallique qui va se dissoudre et se reformer pendant les cycles de décharge/charge, avec en vis-à-vis une électrode qui va capter l'oxygène de l'air pour le faire intervenir dans la réaction, comme pour une pile à combustible.

Le lithium et le zinc peuvent être par exemple employés comme électrodes.

Dans certains cas, la recharge ne se fait pas électriquement mais mécaniquement, comme avec l'aluminium qui nécessite d'insérer des « cartouches » de ce métal.  La maturité de cette technologie est encore faible en regard des importantes contraintes de l'usage automobile.

Les propriétés chimiques des métaux

Les propriétés chimiques des métaux peuvent représenter une voie d'étude.

Dans une batterie lithium-ion, la production de courant est entraînée, entre autres choses, par le transport des ions lithium. Chaque ion lithium transporte une charge. Si un élément chimique était capable de fournir le double de cette charge, la capacité de la batterie s'en trouverait augmentée. C'est théoriquement le cas de métaux dits « divalents » tels que le calcium ou le magnésium. Des laboratoires universitaires effectuent ce type de recherche. D'importants progrès restent nécessaires pour assurer la pérennité des autres composants de la cellule.

Le stockage d'énergie sous forme d'électricité n'est pas la seule possibilité, mais les autres formes de stockage, comme l'utilisation du pompage-turbinage, concernent essentiellement les infrastructures de stockage d'énergie stationnaire.

Source : Renault

Eric Houguet, 26/08/2021
   
 

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