Quels matériaux pour les batteries du futur ?

Que ce soit pour équiper des véhicules électriques de plus d’une tonne, ou les objets connectés qui envahissent notre quotidien, l’usage des batteries lithium-ion est devenu incontournable dans de nombreux secteurs d’activité. Et pour cause : le lithium, métal alcalin extrêmement léger, présente une densité énergétique importante, tout en occupant un volume très faible. Ces propriétés ont permis de miniaturiser les batteries, pour in fine produire de nouveaux produits technologiques – montres, smartphones, ordinateurs, drônes… – aux tailles de plus en plus réduites. De plus, la technologie lithium-ion permet de produire des batteries qui ne nécessitent pas d’entretien, et présentant un taux d’autodécharge extrêmement réduit. 

Différentes technologies électrochimiques permettent de fabriquer des batteries au lithium : 

• La plus répandue est le lithium-manganèse-cobalt (NMC), réservée pour les solutions embarquées ;
• Le lithium-polymère (LiPo) est également très utilisé, mais sa durée de vie est courte au regard de son prix.
• Le lithium-fer-phosphate (LFP) est une technologie de plus en plus utilisée pour des applications stationnaires, notamment car elle possède une grande stabilité.
• Le lithium-cobalt-nickel-aluminium (NCA) est une technologie dense en énergie, mais qui présente une certaine fragilité, qui empêche une utilisation intensive.
• Le lithium manganèse (LMO) est une technologie où le cobalt est remplacé par le manganèse, qui lui confère une durabilité plus importante à un moindre coût.

D’autres technologies sont aujourd’hui étudiées et présentent un potentiel qui intéresse les industriels. On peut citer le lithium-titanate (LTO), le lithium-air, ou encore le lithium-cobalt-oxyde (LCO). Ces technologies présentent certaines contraintes, notamment en termes de stabilité et de coût, mais également un potentiel intéressant qui justifie les recherches menées actuellement.

Aujourd’hui, l’usage massif de lithium oblige l’industrie et la recherche à plancher sur la mise au point de batteries composées de matériaux innovants, permettant d’améliorer leurs performances par rapport aux technologies lithium-ion que nous utilisons massivement aujourd’hui. Le principal problème lié à l’usage du lithium est la quantité astronomique d’eau nécessaire – 2,2 millions de litres – pour obtenir une tonne de ce matériau. Si le lithium peut potentiellement être réutilisé, à l’heure actuelle les technologies de recyclage ne sont pas généralisées dans l’industrie. Il est probable que la situation évolue dans les prochaines années, et l’Europe légifère dans ce sens actuellement.

Ceci dit, quelles sont les alternatives existantes pour se passer du lithium ? Plusieurs pistes existent, à des degrés de maturité technologique différents. 

Proche chimiquement du lithium, le sodium, élément très abondant sur terre, intéresse la recherche. C’est une alternative intéressante au lithium, avec deux inconvénients majeurs : son poids – il est trois fois plus lourd que le lithium -, et la puissance des batteries ainsi obtenues, inférieure à celle des technologies au lithium.

Le fer pourrait également se révéler être un excellent substitut au lithium. Cet élément chimique permet de stocker les énergies renouvelables sur un temps beaucoup plus long, ce qui pourrait constituer un avantage fondamental dans le développement d’un mix énergétique à forte teneur en énergies solaires, éoliennes, hydrauliques… L’inconvénient majeur de l’utilisation du fer est le volume des batteries, qui les rendraient trop grosses pour être incorporées dans des smartphones, et même dans la plupart des véhicules électriques.

Troisième solution, le silicium. Cet élément chimique ne remplace pas le lithium mais y est ajouté, en remplacement du graphite composant les anodes des batteries. Cela permet de produire des batteries plus sûres, mais également plus légères : aujourd’hui, le silicium est probablement la piste la plus prometteuse, en tout cas celle présentant un potentiel très important, selon les chercheurs.

D’autres matériaux sont à l’heure actuelle testés dans les laboratoires de recherche du monde entier, comme l’eau de mer, le magnésium et même le chanvre. L’urgence écologique poussant l’industrie à développer, par exemple, une mobilité électrique a drainé des investissements massifs qui permettront, sur le moyen terme, de faire émerger des technologies de batteries nouvelles, basées sur des matériaux alternatifs au lithium… bien que ce dernier ne soit pas voué aux oubliettes, si son recyclage se généralise dans les années qui viennent.