Alors que certains s’obstinent à développer des énergies coûteuses et risquées, comme le nucléaire, partout dans le monde des chercheurs travaillent sur des nouvelles solutions de stockage, pour compenser le principal des défauts des énergies renouvelables. En voici 4 exemples, parmi tant d’autres, qui ont fait l’objet de publications dans des revues scientifiques de renom.
Une batterie à 500 Wh/kg développée par CATL
Crédit Image CATL
Une nouvelle batterie haute performance a été dévoilée par CATL, le plus grand fabricant de batteries pour véhicules électriques au monde. Cette nouvelle solution de stockage d’énergie est une batterie à matière condensée, qui utilise une nouvelle technologie de cathode à haute tension pour offrir une densité énergétique de 500 Wh/kg, soit une amélioration significative par rapport aux batteries lithium-ion actuelles.
La nouvelle batterie s’appuie sur des électrolytes à l’état condensé biomimétiques hautement conducteurs pour améliorer la performance conductrice des cellules et, par conséquent, l’efficacité du transport du lithium-ion, tout en renforçant la stabilité de la microstructure.
La batterie à matière condensée utilise également un électrolyte solide, qui améliore la sécurité et la stabilité de la batterie. Cette batterie à haute densité énergétique devrait avoir un impact significatif sur l’industrie des véhicules électriques, car elle permettra de réduire la taille et le poids des batteries tout en augmentant leur autonomie. La production en masse de cette nouvelle batterie devrait commencer d’ici 2025.
Le zinc métal, une solution prometteuse
Rendre les batteries peu coûteuses, durables, efficaces, sûres et respectueuses de l’environnement n’est pas facile. Les scientifiques de l’ETH Zurich ont cependant réussi à fusionner toutes ces caractéristiques dans les batteries au zinc métal.
La durabilité est un défi
Les batteries au zinc ne nécessitent pas l’utilisation de solvants organiques hautement inflammables comme le liquide électrolytique, car elles peuvent être fabriquées à l’aide d’électrolytes à base d’eau à la place.
Cependant, les ingénieurs rencontrent souvent des difficultés lors du développement de ces batteries : lorsque les batteries au zinc sont soumises à une charge à haute tension, les performances de la batterie diminuent et le liquide électrolytique diminue.
Crédit image : ETH Zurich / Xin Zou
Les sels rendent les batteries toxiques
Au cours des dernières années, les ingénieurs ont tenté d’enrichir l’électrolyte liquide aqueux avec des sels afin de maintenir la teneur en eau aussi faible que possible. Maria Lukatskaya, professeure de systèmes énergétiques électrochimiques à l’ETH Zurich, s’est associée à des collaborateurs de nombreuses institutions de recherche aux États-Unis et en Suisse pour rechercher systématiquement la concentration de sel parfaite pour les batteries zinc-ion à base d’eau.
À l’aide d’expériences assistées par des simulations informatiques, les scientifiques ont pu révéler que la concentration parfaite en sel n’est pas, comme on le supposait auparavant, la plus élevée possible, mais une concentration relativement faible : cinq à dix molécules d’eau par ion positif du sel.
Jusqu’à présent, les scientifiques de l’ETH ont testé leur nouveau plan de batterie à une échelle de laboratoire relativement petite. La prochaine étape consistera à étendre la méthode et à voir si elle pourrait être traduite en batteries plus grandes. Nous avons montré qu’en ajustant la composition de l’électrolyte, une charge efficace des anodes de zinc peut être activée. À l’avenir, cependant, les matériaux de cathode performants devront également être optimisés pour réaliser des batteries au zinc durables et efficaces .
Les batteries organiques haute capacité moins chères et plus durables
Une équipe chinoise dirigée par Chengliang Wang de l’Université des sciences et technologies de Huazhong vient de présenter des batteries organiques aqueuses à haute capacité qui peuvent être recyclées facilement et à moindre coût.
Credit Image : Angewandte Chemie.
Cette alternative de batteries d’électrodes organiques redox, est synthétisée à partir de matériaux naturels. L’équipe a choisi d’utiliser l’azobenzène, un matériau qui peut être produit à grande échelle à peu de frais et qui est insoluble dans l’eau tout en étant très soluble dans les solvants organiques. Les prototypes de différentes tailles avec l’azobenzène et des contre-électrodes en zinc ont atteint des capacités de l’ordre de l’ampère-heure, qui ont été conservées sur 200 cycles de charge/décharge.
Les petites molécules d’azobenzène peuvent être recyclées à peu de frais avec une simple extraction à l’aide de solvants organiques commerciaux. les petites molécules d’azobenzène peuvent être recyclées à peu de frais avec une simple extraction à l’aide de solvants organiques commerciaux.
L’équipe est encore au tout début de leur longue route vers une application pratique mais vraisemblablement prometteuse.
L’imagerie par rayon X pour capturer les défauts des batteries sodium-ion
Les batteries sodium-ion sont annoncées comme une alternative durable aux batteries lithium-ion car elles sont alimentées par une ressource plus abondamment disponible. Cependant, les batteries sodium-ion rencontrent un problème important : les cathodes se dégradent rapidement lors de la recharge.
Le postdoctoral Oleg Gorobstov a publié une étude en partenariat avec Cornell University dans laquelle il a réussi à trouver le mécanisme insaisissable qui peut provoquer cette dégradation – les défauts cristallins transitoires – en utilisant un nouveau type d’imagerie par rayons X qui a permis aux chercheurs d’enregistrer les défauts fugaces pendant l’utilisation de la batterie.
Ces méthodes sont particulièrement utiles pour étudier le comportement des défauts transitoires, qui surviennent temporairement pendant le transport ionique. Pour expliquer ce qu’ils ont vu, les chercheurs se sont tournés vers les métaux, où des défauts comme les dislocations permettent aux matériaux ductiles de se déformer sans se casser.
Les dislocations sont des défauts cristallins unidimensionnels. Cette configuration précédente est une nouvelle pièce du puzzle qui, nous l’espérons, nous aidera à mieux comprendre la dynamique des défauts dans cette importante classe de matériaux », explique Gorobtsov.
Les chercheurs se concentrent maintenant sur la façon dont les défauts interagissent avec les ions qui entrent et sortent de la batterie, un processus connu sous le nom de diffusion ionique, un mécanisme clé pour la fourniture d’énergie.
Nous n’avons pas encore compris le rôle des défauts étendus dans les matériaux des batteries. Pendant des siècles, les forgerons ont utilisé l’ingénierie des défauts dans les métaux pour créer des matériaux plus solides et plus durables sans même s’en rendre compte », « Néanmoins, à l’aide de nouvelles mesures d’opérandes et d’une meilleure compréhension des mécanismes impliqués, nous pouvons maintenant commencer à relever ce défi. », ajoute Gorobtsov.
La recherche et l’innovation avancent progressivement mais sûrement dans le domaine du stockage de l’énergie. Ces solutions permettront de résoudre un jour le stockage à grande échelle de l’énergie et donc de se passer des énergies polluantes, quelles soient fossiles ou nucléaires.
Crédits images : Arek Socha, Roman de Pixabay
