Voici un aperçu du futur proche de la technologie des batteries

Au moment où le colonel Brent Wilson est devenu commandant de la base du Camp Smith d’Oahu, il avait été déployé dans les guerres du Golfe et en Irak et avait dirigé de nombreuses opérations de défense au Kosovo. Mais l’ennemi qu’il affrontait sur la base hawaïenne était différent de tous ceux qu’il avait vu sur le champ de bataille en tant que pilote d’hélicoptère du Corps des Marines. Il a dû composer avec une infrastructure énergétique vieillissante et régulièrement mise à mal par le climat tropical.

« L'ensemble du réseau électrique tombait régulièrement en panne et nous mettait en faillite », explique Wilson qui, à l'époque, faisait également partie de l'équipe responsable des opérations de défense dans tout le Pacifique. "Vous ne pouvez pas vraiment avoir ça."

Mais la lutte contre les mauvaises infrastructures avait également un allié sous-utilisé: la lumière du soleil. Wilson a lancé une campagne pour installer

panneaux solaires et des batteries industrielles qui pourraient maintenir les parties vitales de l’opération en ligne en cas de tempête. Cette expérience l’a finalement aidé à se lancer dans une deuxième carrière: vendre des batteries suffisamment grosses pour alimenter votre maison hors réseau.

Le boom des batteries

Le marché des batteries a explosé au cours des dernières décennies et devrait encore augmenter de 12 % au cours des cinq prochaines années, selon Renseignements du Mordor. D’ici 2025, ce marché représentera 90 milliards de dollars. Au cours de la dernière décennie, des entreprises comme Tesla, Dyson et Daimler ont toutes investi des milliards de dollars dans l’industrie, soit en acquérant de plus petites entreprises, soit en construisant de nouvelles usines. Si cette scène classique de Le diplômé ont été filmés aujourd'hui, le seul mot de conseil de carrière donné au personnage de Dustin Hoffman ne serait pas « plastiques », mais plutôt « piles ».

Qu’est-ce qui propulsera toute cette croissance? Le prix des batteries au lithium-ion diminue, les appareils électroniques personnels et les voitures électriques les traversent, et, entre autres facteurs, un plus grand nombre de propriétaires et de compagnies d'électricité cherchant à stocker l'énergie solaire et éolienne. énergie.

Cette croissance s’accompagne de beaucoup de gaspillage. Malheureusement, la plupart des batteries finissent dans les décharges. Les taux de recyclage des cellules lithium-ion sont épouvantables: à propos 5% pour les États-Unis et l’Union européenne. Les chercheurs trouvent des moyens de rendre les batteries lithium-ion plus recyclables, mais même si cela se produit, nous devons encore le faire. changer les habitudes des personnes et des entreprises qui ne recyclent pas du tout les piles et s’en débarrassent en les jetant à la poubelle. poubelle.

En outre, certains experts affirment qu’il existe une quantité limitée de lithium disponible, même si son degré de limitation reste à débattre. Son extraction, ainsi que celle du cobalt (qui est couramment utilisé pour l’électrode positive d’une batterie lithium-ion), présente un impact environnemental et environnemental élevé. coût humain. De plus, le prix du cobalt a considérablement augmenté ces dernières années.

Tout cela soulève la question suivante: existe-t-il des batteries moins chères et plus respectueuses de l’environnement? Pourrions-nous utiliser quelque chose de mieux? Que réserve l'avenir?

Beaucoup de gens font des recherches sur possibilités. Depuis les années 1990, plus de 300 000 brevets liés aux batteries ont été déposées (plus de 30 000 rien qu’en 2017). Même si un grand pourcentage de ces inventions sont liées à la technologie lithium-ion, de nombreux travaux sont en cours sur les électrolytes solides, les anodes à base de silicium, lithium-air, graphène et autres options, dont certaines sont respectueuses de l'environnement et d'autres qui ne sont pas meilleures que le lithium-ion mais peut-être plus. efficace.

Même si la plupart de ces nouveaux types de batteries ne seront probablement pas commercialisés aussi largement que le lithium-ion (au moins dans les deux prochaines décennies), ils peuvent servir des marchés de niche très importants. Voici quelques-uns des plus populaires.

Phosphate de fer et de lithium

Peu après le Col. Wilson a pris sa retraite de l'armée, les dirigeants d'une entreprise de panneaux solaires lui ont demandé de puiser dans ses années d'acquisition de stockage d'énergie connaissances (l'armée est l'un des plus grands utilisateurs de batteries au monde), faites un voyage au CES de Las Vegas et examinez la récolte actuelle de produits domestiques batteries. Après le voyage, il a créé une feuille de calcul géante pour expliquer pourquoi il n'était pas satisfait des options qu'il avait envisagées. Les meilleures batteries étaient soit trop chères pour le propriétaire moyen (plus de 30 000 $), soit n’avaient pas assez de puissance. Il a ensuite travaillé avec NéoVolta pour créer une gamme de batteries, dont le coût est généralement très faible à deux chiffres.

Les chimistes soucieux de l’environnement vous diront rapidement que lithium-fer-phosphate le stockage d’énergie n’est qu’un autre type de batterie lithium-ion, même s’il présente certains avantages notables: il est moins cher, a une énergie plus dense, une durée de vie plus longue et ne prendra pas feu si l'intérieur se brise (ce qui peut arriver avec le lithium-ion batteries). Les inconvénients? Il est extrêmement lourd (c’est pourquoi il est préférable qu’il soit posé sur votre porche arrière et non dans votre téléphone), le boîtier contient toujours du lithium et la voie de recyclage n’est pas claire.

En tant que tels, rares sont ceux qui ont adopté les batteries lithium-fer-phosphate, ce qui rend difficile de connaître leur taux de recyclage. Certains chercheurs affirment qu’ils sont plus faciles à diviser en composants.

Lithium-soufre

Certains experts misent sur le stockage d’énergie au lithium-soufre pour remplacer le lithium-ion, car les batteries ont tendance à être plus légères et plus denses en énergie. Le soufre est également abondant et moins cher.

Quelle est la différence entre le fonctionnement des batteries lithium-ion et lithium-soufre? Professeur Linda Nazar, dont le laboratoire de l'Université canadienne de Waterloo étudie les batteries au lithium-soufre depuis 10 ans, utilise une analogie avec un parking pour décrire les différences. Alors que charger et décharger une batterie lithium-ion revient à conduire des voitures dans et hors d'un parking, le La batterie au lithium-soufre «démolit presque toute la structure du parking, puis la reconstruit lorsque vous la rechargez». la cellule."

La réaction chimique s’apparente à ce qui se produit dans une batterie au plomb où se produit une transformation structurelle et chimique complète. Ces batteries de « conversion » ont leurs propres avantages et défis. "Ils ont l'avantage de pouvoir stocker plus d'électrons", explique Nazar. En revanche, le soufre a une conductivité relativement faible et le volume des batteries change après la décharge. L’équipe du laboratoire de l’Université de Waterloo peaufine les composants de la batterie pour augmenter la durée de vie et optimiser les réactions de la batterie. Si certains des problèmes posés par les batteries sont résolus, Nazar envisage de les utiliser dans l’aviation ainsi que dans les drones. Le Avions Zéphyr et les drones, qui ont effectué certains des longs vols électriques, dépendent souvent de batteries au lithium-soufre.

Sodium-ion

Il s’avère que l’élément du tableau périodique qui est si mauvais pour le cœur est plutôt bon pour les piles. La recherche sur les batteries sodium-ion a commencé dans les années 1970, à peu près en même temps que le stockage d’énergie lithium-ion. Les deux éléments sont voisins dans le tableau périodique. Ensuite, le lithium-ion a décollé et le sodium-ion a été considéré comme un produit moins énergétique au cours des trois décennies suivantes.

"Cela semble être la meilleure chose qui soit", déclare Nazar, dont le laboratoire travaille également sur le stockage d'énergie à base de sodium. « Les batteries sodium-ion donnent la possibilité de travailler avec des éléments abondants sur terre – des électrodes positives constituées de choses comme le fer, le manganèse et le titane – des éléments qui sont bien moins coûteux. Mais faire fonctionner cette chimie est un défi, car ce n’est tout simplement pas la même chose que le lithium.

Nazar note que certaines entreprises ne pensent pas que cela vaut la peine d’investir dans des batteries sodium-ion, car le coût des batteries lithium-ion baisse constamment.

"Je pense que cela vaut probablement la peine d'investir beaucoup de ressources dans les batteries sodium-ion", dit-elle. "S'il y avait un moment où les batteries sodium-ion fonctionnaient vraiment bien, avec une densité énergétique élevée, ce serait un énorme pas en avant."

Sucre

Croyez-le ou non, vous pouvez faire fonctionner une batterie avec du sucre comme un tout-petit sautait sur des cake pops. Sony a publié pour la première fois une recherche sur la réaction dans laquelle la maltodextrine est oxydée pour créer de l'énergie en 2007. Bien que la disponibilité matérielle et le respect de l’environnement des batteries au sucre soient bien supérieurs à ceux des batteries au lithium-ion, la tension créée par leur réaction chimique est nettement inférieure. Donc, vous voudrez probablement ne pas donner à votre Tesla une boîte de Crunchberries.

Bien que le concept original soit apparu pour la première fois en 2007, le pile de sucre le concept a encore du jus. En 2016, une équipe du Massachusetts Institute of Technology dirigée par le professeur Michael Strano a créé un appareil appelé le Thermopower Wave, qui est beaucoup plus efficace que les précédentes incarnations de batteries au sucre et peut alimenter une LED commerciale lumière. Il s’agit d’un développement passionnant car le sucre est très abondant. Si nous parvenons à trouver un moyen viable de produire ces batteries, nous pourrions probablement faire évoluer cette technologie rapidement. Malheureusement, la disponibilité commerciale est probable dans plusieurs années.

Couler

Une batterie à flux est structurée différemment de la plupart des autres: au lieu de regrouper un tas de matériaux réactifs dans une seule unité. (comme le font les batteries normales), les batteries à flux stockent les liquides réactifs dans des conteneurs séparés, puis les pompent dans le système pour créer énergie. Ils sont également énormes et conçus pour le stockage d’énergie sur réseau – pas pour l’électronique et les objets qui peuvent tenir confortablement dans la paume de votre main.

L'original batterie à flux aurait pesé 1 000 livres et a été inventé à la fin du 19e siècle pour alimenter intelligemment le nommé dirigeable français « La France ». L'intérêt pour le stockage d'énergie modulaire a augmenté et diminué depuis alors.

« Je pense que ce qui est réellement à l’origine de l’explosion et de l’intérêt pour les batteries à flux, ce n’est pas tant la fabrication de la prochaine génération de batteries pour les batteries à flux. téléphones ou ordinateurs, mais stockage d'énergie à moyenne et grande échelle », explique Timothy Cook, professeur de chimie à l'Université de Buffle. Ainsi, à moins que vous ne construisiez un téléphone portable steampunk, il est peu probable que vous transportiez des batteries à flux activées par des pompes microscopiques. Cependant, à mesure que de plus en plus de foyers installent l’énergie solaire, le marché du stockage « d’énergie personnalisé » va se développer.

Si rendre les batteries lithium-ion plus puissantes signifie augmenter la taille de la batterie, la conception des batteries à flux permet d'augmenter l'énergie en augmentant la taille du liquide réservoirs. San Diego Power and Electric en a récemment installé un qui peut alimenter 1 000 logements.

« Vous n’avez pas besoin de modifier les dimensions de la membrane [là où se produit la réaction chimique], il vous suffit de pour y faire circuler le plus grand volume de liquide pendant une période plus longue et vous pouvez extraire cette énergie », explique Cuisiner. "Il est donc beaucoup plus facile d'augmenter ou de réduire la taille, ou vous pouvez essentiellement le personnaliser en fonction de l'installation."

Les batteries Flow ont également beaucoup plus de cycles de charge que la plupart des batteries. La possibilité de remplacer les liquides ou d’autres pièces modulaires signifie que la durée de vie potentielle d’une batterie est presque indéfinie.

Même si les entreprises vendent actuellement des batteries à flux de taille industrielle, le professeur Cook ne s’attend pas à une acceptation généralisée avant cinq à dix ans. Il imagine même un jour où les voitures électriques pourraient utiliser cette technologie. Cook décrit une voiture s'arrêtant jusqu'à une «station-service», déchargeant l'électrolyte usé, puis en remplissant avec un électrolyte fraîchement chargé. Au lieu d'attendre une demi-heure pour que votre voiture redémarre, les roues peuvent à nouveau patiner en quelques minutes. Mais, bien sûr, cet avenir est encore loin.

Papier

Fabriquer une batterie en papier présente de nombreux avantages: elle est fine, flexible et, si elle est fabriquée avec les bons matériaux, biodégradable. Une équipe de l’Université de Stanford a développé les premières batteries de papier en enduisant de fines feuilles d’une encre saturée de carbone et d’argent. Plus récemment, les écologistes se sont montrés enthousiasmés par les batteries développées à l’Université de Binghamton. Le professeur Seokheun « Sean » Choi en a fait plusieurs incarnations différentes, dont une alimentée par de la salive – ou plus scientifiquement, de la salive humaine – et une autre alimentée par des bactéries. Une incarnation récente de la biobatterie développée par Choi et le professeur Omowunmi Sadik utilise du poly acide (amique) et poly (dianhydride pyromellitique-p-phénylènediamine) pour fabriquer les sources d'énergie biodégradable.

"Notre batterie hybride en papier présentait un rapport puissance/coût beaucoup plus élevé que toutes les batteries microbiennes à base de papier précédemment signalées", a déclaré Choi lors de l'innovation. a été annoncé. Bien que l'utilisation commerciale de ces piles en papier écologiques soit limitée en raison de leur faible puissance électrique (on peut alimenter une lumière LED pendant environ 20 minutes), les chercheurs espèrent les voir utilisés dans l'électronique, les appareils sans fil, les applications médicales comme les stimulateurs cardiaques, les avions et automobiles. Choi a écrit un article sur leur utilisation comme sources d'énergie à usage unique pour les outils de diagnostic sur le lieu d'intervention dans les pays en développement où les batteries ne sont pas facilement disponibles.

Air

L’air peut en fait être électrique, et pas seulement au moment où vous ouvrez votre col après qu’une mélodie de Phil Collins retentisse dans les haut-parleurs de votre Ferrari. Piles zinc-air, qui ont à peu près la taille d'un bonbon Smarties et sont alimentés par la réaction entre l'oxygène et le zinc, sont utilisés dans les aides auditives depuis de nombreuses années. Le zinc est également bon marché et abondant, ce qui rend la technologie à la fois économique et écologique.

Mais il y a des limites quand on essaie de faire en sorte que cette technologie rechargeable. Des cristaux de dendrites peuvent se former pendant la charge et court-circuiter la batterie. Des moyens ont été testés pour remplacer le zinc, par exemple en « rechargeant mécaniquement » la batterie en remplaçant physiquement les matériaux, une approche qui a été testée dans les bus électriques de Singapour. De nombreuses autres expériences ont été tentées avec des batteries lithium-air et métal-air avec différents degrés de densité énergétique, de niveau de puissance et de coût. Au cours de la dernière décennie, Tesla a déposé plusieurs brevets liés à la recharge. batteries lithium-air, leur potentiel peut donc exister bien au-delà de vos aides auditives.

Fer

Il y a quelques années, Peter Allen, professeur de chimie à l'Université de l'Idaho, a commencé à exprimer sa fascination pour la science des batteries sur YouTube. Presque immédiatement, il a constaté que les téléspectateurs réagissaient vraiment au matériel de batterie, ce qui l'a inspiré à construire une batterie en fer rechargeable à titre de démonstration éducative. Ce projet a donné lieu à plus de 100 vidéos de démonstration expliquant les étapes, les problèmes et les apprentissages d'un projet de batterie éducative.

« Je ne veux pas me présenter comme un expert en batteries en soi », reconnaît le professeur dont le domaine d’expertise est la chimie biologique. En réalisant les vidéos YouTube, il s'est rendu compte qu'il y avait beaucoup à apprendre et à apprendre en construisant une batterie de bricolage relativement bon marché.

"Certaines parties de la technologie des batteries au fer existent depuis 100 ans, donc je pense que beaucoup de gens qui pourraient se lancer dans ce domaine avec beaucoup de connaissances étrangères diraient simplement: « Eh bien, c’est un terrain battu, il n’y a rien à trouver là-bas », dit-il. "Mais étant un peu naïf, je suis entré dans l'affaire et j'ai dit: 'Eh bien, essayons, vous pouvez quand même trouver quelque chose d'intéressant.'"

Après deux ans, plus de 30 variantes de batterie et beaucoup d'aide de la part d'étudiants de premier cycle, Allen a appris à équilibrer les matériaux liquides et solides pour créer une quantité optimale de densité énergétique mais avec une faible pouvoir.

« Ensuite, nous avons abordé toute cette question: « Si vous avez une chimie qui fonctionne, mais qui fonctionne lentement, comment pouvez-vous l’accélérer? »

Même si l'équipe résout ce défi, la technologie actuelle dicte que les meilleures applications pour une batterie au fer seront probablement une unité de stockage d'énergie de micro-réseau de quartier ou capture d'énergie de ferme solaire, compte tenu de l'espace requis et de la vitesse de l'énergie envoyée depuis le unité.

Qui va gagner?

La batterie au fer d’Allen sera-t-elle un jour commercialement viable? Il n’est pas sûr que les découvertes actuelles de son équipe, qui ont été publiées dans une revue scientifique, y parviendront.

Après avoir examiné de nombreuses inventions en matière de batteries, il se rend compte que seules quelques-unes d’entre elles seront réellement commercialisées. Dans la recherche scientifique, explique-t-il, il existe une « vallée de la mort ».

« Vous disposez de recherches fondamentales qui aboutissent à quelque chose de vraiment génial », dit-il. « La question se pose de savoir si cela peut être commercialisé. Et il n’y a pas d’argent pour poser cette question. Les chercheurs qui trouvent suffisamment d’argent pour répondre à cette question initiale trouveront alors, s’ils ont de la chance, des investisseurs désireux d’affiner et de commercialiser l’idée. "Mais il y a un écart entre la recherche fondamentale et le raffinement nécessaire pour commercialiser une batterie."

En 2019, les sociétés de capital-risque ont coulé 1,7 milliard de dollars dans les startups de batteries, dont 1,4 milliard sont destinés à la recherche liée au lithium-ion. Mais les batteries à flux, le zinc-air, le métal liquide et de nombreuses autres technologies ont également fait l’objet de chèques écrits. Alors que le stockage d’énergie au lithium-ion dominera probablement le stockage d’énergie pendant au moins 10 ans encore, de nombreux autres semblent déjà pouvoir sortir de la vallée de la mort.

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