Les batteries lithium-ion sont notamment utilisées dans les voitures électriques. Elles sont, pour l’heure, les reines du marché. Mais les travaux de chercheurs américains pourraient venir perturber l’ordre établi au profit de batteries potassium-ion et de batteries sodium-ion. © Steve Jurvetson, Flickr, CC by 2.0

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Batteries : du potassium et du sodium pour remplacer le lithium

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Pour rendre plus efficaces et surtout moins chères les batteries que nous utilisons désormais quotidiennement, les chercheurs espèrent remplacer le lithium par d'autres éléments, plus disponibles. Des scientifiques américains proposent de revisiter deux pistes connues : le potassium et le sodium. La clé : leur pénétration dans les anodes en graphite, qui peut être améliorée.

Tous les jours, ou presque, nous rechargeons les batteries de nos ordinateurs portables, celles de nos appareils photos numériques ou celles de nos smartphones. Bientôt, nous serons plus nombreux aussi à recharger celles de nos voitures électriques. Les chercheurs continuent de travailler dur pour améliorer ces technologies et en réduire les coûts. L'une des options étudiée actuellement par deux groupes de scientifiques américains, consiste à se passer de l'usage du lithium. Pour des chimistes de l'Oregon State University, cet élément rare pourrait être remplacé par du potassium. Pour des chercheurs de la Wayne State University (Détroit, États-Unis), c'est le sodium qui pourrait se substituer au lithium.

Il faut dire qu'aujourd'hui, la technologie des batteries lithium-ion écrase le marché. Et, ces dernières années, le coût de ces batteries a spectaculairement baissé. Il est ainsi passé de quelque 1.000 dollars du kWh en 2010 (878 euros au cours actuel) à quelque 300 dollars du kWh en 2015 (2.633 euros au cours actuel). Pourtant, le lithium reste un élément plutôt rare sur Terre. Non seulement rare mais aussi cher. Sans parler des difficultés rencontrées pour le recycler. Le sodium et le potassium, quant à eux, sont bien plus abondants. Sur Terre, ils représentent chacun quelque 2,5 % des éléments disponibles, contre pas plus de 0,006 % pour le lithium ! On comprend donc pourquoi les chercheurs sont si enthousiastes à l'idée de lui trouver un substitut, voire plusieurs.

Selon des chercheurs américains, le potassium, ici en perles, pourrait avantageusement remplacer le lithium dans une nouvelle génération de batteries. © Materialscientist, Wikipedia, CC by 1.0

Des batteries potassium-ion avec des anodes en graphite

Voici plus de 80 ans que l'idée explorée par les chimistes de l'Oregon State University n'avait plus retenu l'attention des chercheurs. Dans les colonnes du journal de l'American Chemical Society, les chimistes américains annoncent pourtant avoir pu développer une batterie potassium-ion sans avoir à revenir sur le principe, éprouvé et bon marché, de l'anode en graphite. Le dépôt d'un brevet est même en cours.

Contrairement à l'idée communément admise, il s'avère en effet que le potassium est capable de pénétrer le graphite. Et ce de façon réversible. En remplaçant l'anode en graphite par une anode en carbone souple de leur composition, les chercheurs de l'Oregon State University sont parvenus à augmenter la durée de vie de leur batterie. Mais ses performances n'égalent pas celles des batteries lithium-ion. Pas encore... Puisque les chimistes américains assurent pouvoir développer, sur la base de leur prototype, des batteries présentant une densité d'énergie élevée.

Des étudiants ramassent des efflorescences d’algues nuisibles (HAB) qui serviront ensuite à produire le carbone dur utilisé comme anode dans des batteries sodium-ion. © Da Deng, Wayne State University

Des batteries sodium-ion à partir d'algues

D'autres scientifiques, de la Wayne State University cette fois-ci, espèrent bien eux aussi trouver une alternative à la batterie lithium-ion. Pour eux, tout a commencé avec une catastrophe écologique. En août 2014, le lac Érié a connu un épisode extrême d'efflorescence d’algues nuisibles (HAB). L'augmentation rapide de la concentration d'une espèce particulière de phytoplancton a empoisonné le système d'eau potable de Toledo, une ville de l'Ohio. En chauffant ces algues à des températures comprises entre 700 et 1.000 °C dans de l'argon, des chercheurs de la Wayne State University ont produit du carbone dur qu'ils ont exploité ensuite comme électrodes à hautes performances et bon marché dans des batteries sodium-ion. Une approche trash to treasure (comprenez que nos déchets valent parfois de l'or) qui pourrait à la fois réduire les menaces environnementales que font peser les HAB et fournir à l'industrie du stockage de l'électricité, des électrodes « vertes ».

Alors que le graphite est généralement utilisé pour concevoir les anodes des batteries lithium-ion, cette forme de carbone ne convient pas aux batteries sodium-ion. Car les ions sodium sont trop volumineux pour pouvoir pénétrer la structure du graphite. Le carbone dur, quant à lui, est un peu moins ordonné et contient plus de défauts dans lesquels les ions sodium peuvent se glisser. Traditionnellement, le carbone dur est produit à partir de pétrole. Mais, il peut aussi être biosourcé. Et l'avantage des HAB en la matière, c'est qu'ils se multiplient rapidement et sans monopoliser des terres agricoles.

Les performances électrochimiques des batteries produites par les chercheurs américains doivent encore être améliorées. Ils ont déjà pu noter que la stabilité des anodes est étroitement liée à la température à laquelle les HAB ont été chauffées. Une première piste d'optimisation. Le plus important problème de cette nouvelle technologie reste que les performances des batteries sodium-ion, même si elles se maintiennent ensuite, chutent après le premier cycle - de 440 à 230 mAh/g (milliampère-heure par gramme).

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