Étapes importantes pour la recherche sur les batteries et l'énergie

Changement climatique, augmentation du CO2 d’un côté et croissance de la population mondiale avec des ressources de plus en plus rares de l’autre alimentent le débat sur la sortie du charbon et le remplacement des combustibles fossiles. La transition énergétique, largement exigée, suscite de grandes attentes et comporte des défis encore plus importants. Les paquets de mesures pour la protection du climat et les divers programmes de réduction des émissions de CO2 sont demandés et développés par la science, l’industrie et la politique de manière équitable. Les technologies d’avenir telles que la production d’énergie alternative et les concepts innovants de stockage d’énergie, ainsi que les nouveaux matériaux nécessaires à leur mise en œuvre, sont indispensables et essentiels pour la réussite de la transition énergétique. De grandes attentes sont placées dans la recherche sur les batteries, et la mobilité électrique est considérée comme l’espoir. La course contre le temps et pour les meilleures solutions a commencé.

Technologies d’avenir

Actuellement et dans un avenir proche, les batteries au lithium restent les performantes ultimes dans l’alimentation électrique mobile et stationnaire. C’est grâce à elles que la mobilité électrique est devenue possible et pratique. En raison de la raréfaction des ressources, des alternatives urgentes sont toutefois nécessaires. Étant donné que le développement de systèmes de batteries haute performance s’avère extrêmement complexe, il nécessite des stratégies de recherche interdisciplinaire et des réseaux dans la science et l’industrie.

Batteries de prochaine génération

Le développement de stockages d’énergie durables et respectueux de l’environnement constitue l’un des grands défis de la transition énergétique. Les batteries lithium-ion compactes, très performantes jusqu’à présent, ont un fort potentiel de marché grâce à leur excellente densité énergétique et de puissance, mais leur fabrication est devenue extrêmement coûteuse et problématique en raison de la consommation d’énergie et de la demande croissante en matières premières précieuses et rares comme le lithium et le cobalt. C’est pourquoi la demande pour des alternatives plus économes en énergie, plus performantes, moins coûteuses et plus respectueuses de l’environnement ne cesse de croître. Les batteries sodium-ion pourraient offrir des solutions adéquates à l’avenir.

Les besoins en recherche sont importants. « Cette voie de recherche connaît actuellement un essor tumultueux. En Allemagne, la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) a mis en place en avril un programme prioritaire (12,6 millions d’euros, durée de 6 ans) et l’UE un réseau de formation (ITN, 4 millions d’euros, durée de 4 ans) – je suis en charge de la coordination des deux programmes », partage le professeur Dr S. Ulrich Schubert du « Centre pour la chimie de l’énergie et de l’environnement » (Centre for Energy and Environmental Chemistry Jena – CEEC Jena) de l’Université Friedrich-Schiller de Jena. « L’intérêt et l’investissement d’Evonik Industries AG montrent clairement le potentiel économique. Et il existe toujours un intérêt extrêmement fort en provenance de Chine et du Japon. »

Le ministère fédéral de l’Éducation et de la Recherche (BMBF) soutient également le projet collaboratif « Transition » pour un stockage d’énergie plus durable avec 1,15 million d’euros. Participent à ce projet l’Institut Helmholtz de Ulm (HIU), fondé par l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), le Centre de recherche sur l’énergie solaire et l’hydrogène du Bade-Wurtemberg (ZSW) et à nouveau l’Université Friedrich-Schiller de Jena (FSU). L’objectif est de développer une alternative aux batteries lithium-ion traditionnelles. Dans ce projet, les chercheurs étudient également des matériaux actifs et des électrolytes adaptés pour les batteries sodium-ion de prochaine génération.

« Les batteries à base de polymères, c’est-à-dire celles utilisant des polymères comme matériaux actifs pour le stockage d’électricité, sont étudiées intensément depuis 2011 dans mon groupe de travail », remarque le professeur Schubert. « Nous avons pu présenter pour la première fois une batterie à film mince produite par impression jet d’encre. Nous avons également breveté et publié plusieurs nouveaux matériaux actifs. La société Evonik Industries AG est en train de commercialiser ces nouveaux polymères sous forme d’encres imprimables (sous la marque « TAeTTOOz »). »

Ces batteries innovantes doivent être durables, respectueuses de l’environnement, peu coûteuses et également très performantes. Le développement de nouveaux stockages d’énergie sans métaux et imprimables à base de polymères ouvre des domaines d’application prometteurs dans le secteur de la santé, la détection et l’Internet des objets. « Cela concerne surtout le domaine des batteries à film mince imprimables. Des RFIT tags actifs, des « pansements » pour la transmission de fonctions de santé, jusqu’aux vêtements intelligents », ajoute le professeur Dr Ulrich Schubert.

Efficacité énergétique et haute performance

Les batteries doivent également faire preuve de leur capacité de fonctionnement et de performance dans les conditions les plus difficiles. Parallèlement, il faut exclure tout potentiel de danger et tout risque en cas de mauvaise utilisation ou de destruction tout au long du cycle de vie. Et surtout dans le contexte de la mobilité électrique, la fiabilité à long terme des cellules de batteries est au centre des préoccupations.

Les batteries innovantes à base de plastiques présentent de nombreux avantages par rapport aux batteries lithium-ion établies. La fabrication de telles batteries est déjà beaucoup plus économe en énergie grâce aux matériaux organiques et polymères utilisés. Les polymères en tant que matériaux actifs nécessitent une empreinte carbone beaucoup plus faible lors de leur fabrication. De plus, ils sont généralement moins toxiques et inflammables. Ces batteries peuvent également être fabriquées par des techniques d’impression (impression sérigraphique, impression jet d’encre, impression roll-to-roll).

Il en va de même pour leur utilisation. La mise au rebut et le recyclage sont également plus respectueux de l’environnement et beaucoup moins coûteux. Les batteries avec des polymères comme matériaux actifs d’électrodes sont en outre plus durables, car elles évitent l’utilisation de métaux lourds. Le prototype d’une batterie sodium-ion, comme celui du projet Transition, comporte une anode en carbone dur à base de biomasse, combinée à des liants aqueux et de l’aluminium comme collecteur de courant, et une cathode en oxydes de métaux de transition. Des relations améliorées entre la structure et les propriétés constituent en outre une condition préalable à des réactions électrochimiques contrôlées.

Mobilité électrique

À court et moyen terme, les batteries lithium-ion sont la motorisation de toute mobilité électrique en raison de leur performance et de leur densité énergétique. Elles garantissent la durée de fonctionnement et l’autonomie en fonction de conditions extérieures telles que les zones d’utilisation, les températures et la conduite. À court terme, les batteries sodium-ion ne remplaceront pas les batteries lithium-ion, mais, selon l’avis des experts, ne pourront que les compléter. Dans le domaine de la mobilité électrique, la technologie de l’eau, en respectant diverses considérations de sécurité, présente également un potentiel certain.

Analytique et caractérisation

Chaque résultat de recherche et de développement est aussi bon que son analyse en cours de processus. C’est pourquoi, aujourd’hui, les méthodes analytiques modernes pour la détermination des électrolytes et l’identification des traces, des matières premières et des composants matériels dans la recherche sur les batteries sont indispensables. Les dernières technologies d’appareillage pour ces mesures et contrôles de matériaux sont présentées dans leur ensemble à l’analytica de Munich. Des experts présentent lors de ce salon mondial les dernières technologies et méthodes en chromatographie, spectrométrie, microscopie, analyse de surface et d’ions. Dans le laboratoire en direct d’analyse des plastiques/polymères, des expériences en direct sont également menées. Les visiteurs ont ainsi la possibilité de découvrir en laboratoire réel les innovations dans les domaines de l’analyse des plastiques et des matériaux.

Du 30 mars au 3 avril, la communauté scientifique se renseigne à l’analytica de Munich sur les principales nouveautés du secteur. Le savoir-faire des experts et les technologies d’analyse innovantes apportent une valeur ajoutée considérable à la recherche de nouveaux systèmes de batteries. À Munich, les technologies clés correspondantes offrent un aperçu du futur.