Les innovations les plus importantes en matière de batteries à surveiller en 2024

Les batteries sont une technologie essentielle au fonctionnement de notre monde moderne, dominé par l'électronique. Des smartphones aux véhicules électriques, des batteries performantes et sûres sont un élément essentiel de l'innovation. Face à la demande croissante de batteries pour diverses applications, les chercheurs continuent d'améliorer leur conception pour les rendre plus légères, plus durables, plus rapides à charger et plus économes en énergie.

Plusieurs technologies de batteries émergentes sont sur le point d’avoir un impact majeur en 2024. Explorons certains des développements de batteries les plus prometteurs qui pourraient devenir omniprésents dans un avenir proche.

Batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion (Li-ion) dominent la technologie des batteries rechargeables depuis des décennies. Elles offrent une densité énergétique élevée, une faible autodécharge et une tension de cellule élevée. Cependant, les batteries Li-ion présentent également des inconvénients, comme une diminution de la capacité au fil du temps et des problèmes de sécurité.

Les chercheurs continuent d’améliorer les batteries Li-ion de plusieurs manières clés :

• Augmentation de la densité énergétique : Grâce à l'utilisation de matériaux cathodiques haute capacité comme le nickel-cobalt-manganèse (NCM) ou le nickel-cobalt-aluminium (NCA), les scientifiques augmentent progressivement la densité énergétique des batteries Li-ion. Une densité énergétique plus élevée permet d'intégrer davantage d'énergie stockée par unité de volume.
• Amélioration de la sécurité : Des composants tels que les électrolytes polymères solides et les revêtements céramiques pour les matériaux de cathode et d'anode réduisent l'inflammabilité des batteries Li-ion. La sécurité reste une priorité absolue.
• Réduction des coûts : Les économies d'échelle et l'amélioration des procédés réduisent le coût des batteries Li-ion. Leurs prix ont déjà chuté de façon spectaculaire au cours de la dernière décennie. De nouvelles baisses de coûts permettraient leur adoption massive dans un plus grand nombre d'applications.

Grâce à des améliorations progressives et continues, les batteries Li-ion conserveront leur position dominante pour les applications haute performance comme les véhicules électriques et le stockage d'énergie sur réseau. Leur densité énergétique et leur sécurité continueront de s'améliorer, tandis que leurs coûts baisseront.

Batteries à semi-conducteurs

Les batteries à semi-conducteurs remplacent l'électrolyte liquide standard par un électrolyte solide, permettant des améliorations majeures en termes de densité énergétique, de sécurité, de coût et de capacité de charge rapide.

Bien qu'elles en soient encore aux premiers stades de la commercialisation, les batteries à semi-conducteurs offrent un immense potentiel, notamment :

• Densité énergétique plus élevée : les électrolytes solides permettent d'utiliser des anodes en lithium métal au lieu des anodes en graphite utilisées dans les batteries Li-ion. Cela pourrait quasiment doubler la densité énergétique.
• Chargement plus rapide : Les batteries à semi-conducteurs se chargent jusqu'à 10 fois plus vite que les batteries Li-ion, tout en restant froides. La charge rapide ouvre de nouvelles perspectives d'utilisation.
• Sécurité améliorée : sans liquides inflammables, les batteries à semi-conducteurs évitent les risques d’incendie associés aux batteries Li-ion.
• Coûts réduits : Les électrolytes solides sont intrinsèquement plus sûrs que les électrolytes liquides, ce qui réduit les exigences strictes en matière d'emballage. La simplification des conceptions de batteries permet également de réduire les coûts.

Les constructeurs automobiles et les entreprises technologiques se battent pour être les premiers sur le marché. Toyota prévoit de dévoiler un prototype de voiture électrique à batterie à semi-conducteurs d'ici 2025. BMW et Ford ont également des programmes de batteries à semi-conducteurs et visent une production dans le courant de la décennie. De son côté, Samsung estime que les batteries à semi-conducteurs pourraient alimenter les smartphones d'ici 2030.

Si des défis techniques tels que l'amélioration de la durée de vie sont surmontés, les batteries à semi-conducteurs pourraient remplacer les batteries Li-ion dans les applications haute performance d'ici 5 à 10 ans. Leurs avantages en termes de densité énergétique, de sécurité, de coût et de capacité de charge en font une technologie de batterie extrêmement prometteuse.

Batteries sodium-ion

Le lithium est une ressource naturelle rare et géographiquement concentrée. L'exploration de la composition chimique des batteries à partir de matériaux plus abondants comme le sodium pourrait améliorer la résilience de la chaîne d'approvisionnement et réduire les coûts.

Les batteries sodium-ion fonctionnent de manière similaire aux batteries lithium-ion, mais remplacent le lithium par du sodium à l'anode. Les principaux avantages des batteries sodium-ion sont les suivants :

• Coûts réduits : Le sodium est plus de 1 000 fois plus abondant que le lithium, ce qui réduit le coût des matériaux. Le coût global pourrait être jusqu'à 25 % inférieur à celui des batteries Li-ion.
• Sécurité améliorée : Le remplacement du lithium métal par du sodium métal réduit les risques d'inflammabilité. Les batteries sodium-ion fonctionnent à des tensions légèrement inférieures, ce qui améliore également la sécurité.

Malgré ses avantages prometteurs, la technologie sodium-ion présente des limites en termes de densité énergétique par rapport aux batteries Li-ion. Les recherches en cours sur les matériaux d'anode et de cathode visent à améliorer la densité énergétique tout en conservant les avantages de la technologie sodium-ion en termes de coût et de sécurité.

Les batteries sodium-ion sont actuellement utilisées pour des applications de niche comme le stockage d'énergie stationnaire. Si la densité énergétique s'améliore et que les coûts baissent, leur adoption pourrait s'accélérer, notamment pour le stockage stationnaire à grande échelle ou l'alimentation de secours, où le coût est un facteur déterminant.

Même si elles ne supplantent pas totalement la technologie lithium, les batteries sodium-ion ont l'opportunité de gagner des parts de marché dans des segments spécifiques et d'améliorer la diversification de l'offre. Leur coût et leur sécurité en font une technologie de batterie à surveiller.

Batteries à densité énergétique gravimétrique

Pour des applications telles que les drones et les avions, la réduction du poids est impérative. Le développement de batteries à très haute densité énergétique gravimétrique pourrait permettre une autonomie de vol accrue et de nouveaux cas d'utilisation.

Une technologie de batterie émergente, appelée lithium-fluorure de carbone (LiCF), promet une densité énergétique gravimétrique jusqu'à cinq fois supérieure à celle des batteries Li-ion. D'autres chimies lithium-air et lithium-soufre visent également une densité énergétique supérieure à 1 000 Wh/kg.

Les principales caractéristiques de ces batteries gravimétriques comprennent :

• Densité énergétique ultra-élevée : les nouvelles conceptions et compositions chimiques des batteries permettent d'intégrer davantage d'énergie par unité de poids, ce qui est essentiel pour les applications de vol.
• Coût élevé : ces batteries nécessitent des matériaux et des techniques de fabrication exotiques, ce qui les rend actuellement trop chères pour être adoptées par le grand public.
• Stade de développement précoce : La plupart des technologies de batteries ultra-haute densité restent confinées aux laboratoires de recherche et développement et leur commercialisation est limitée. Mais les progrès s'accélèrent.

Si les défis techniques liés aux matériaux, à la fabrication et à la stabilité peuvent être surmontés, les batteries à haute densité énergétique gravimétrique pourraient à terme alimenter l'aviation électrique et transformer la mobilité aérienne urbaine. Leur potentiel pour étendre l'autonomie des drones offre également de nombreuses applications commerciales.

Bien qu'encore émergentes, les batteries gravimétriques méritent d'être surveillées de près en raison de leur immense potentiel de transformation du vol électrique. Même de modestes améliorations de la densité énergétique par unité de poids pourraient favoriser leur adoption dans l'aviation.

Conclusion

Des améliorations progressives apportées aux batteries lithium-ion aux technologies émergentes comme les batteries à semi-conducteurs et les batteries sodium-ion, le secteur des batteries évolue rapidement. Face à la demande croissante, la technologie des batteries doit progresser sur plusieurs fronts : amélioration de la sécurité, de la densité énergétique, des coûts, de la vitesse de charge et de la sécurité d'approvisionnement.

Des innovations prometteuses dans les domaines de la science des matériaux, de la fabrication et de la gestion des batteries permettront de créer des batteries plus performantes, plus économiques et plus sûres. Ces avancées ouvriront la voie à de nouvelles applications et accéléreront la transition vers l'abandon des combustibles fossiles dans les transports, les appareils grand public et l'approvisionnement en électricité.

Les années 2020 s'annoncent comme une décennie de transformation pour la technologie des batteries. Plusieurs nouvelles chimies prometteuses pourraient remplacer les batteries lithium-ion dans les années à venir. Il sera fascinant d'observer quelles nouvelles technologies parviendront à passer du laboratoire à la production de masse. Une chose est sûre : de nombreuses innovations dans le domaine des batteries restent à venir.