Batteries à hydrogène qui fonctionnent dans le froid

Autrefois considérées comme de simples sources d’énergie, les batteries occupent aujourd’hui le cœur de la transformation énergétique propre du monde en tant que l’une des technologies à la croissance la plus rapide façonnant notre avenir.

Parmi les types de batteries, les batteries lithium‑ion sont le choix privilégié pour alimenter tout, des téléphones mobiles aux véhicules électriques (VE).

Les batteries Li‑ion sont apparues commercialement au début des années 1990, mais la demande à leur égard a explosé au cours de la dernière décennie, passant de seulement 0,5 gigawatt‑heure (GWh) en 2010 à environ 526 GWh dix ans plus tard.

Une baisse quasi de 90 % du coût des batteries lithium‑ion, passant d’environ 1 400 $ / kWh en 2010 à 140 $ / kWh en 2023, combinée aux progrès en densité énergétique et durée de vie cyclique, a renforcé leur domination dans les applications de véhicules électriques et de stockage d’énergie.

Un gros problème des batteries rechargeables comme les cellules lithium‑ion, cependant, est qu’elles n’aiment pas le froid.

Pourquoi les batteries échouent dans le froid (et comment les ingénieurs le résolvent)

Les batteries fonctionnent mal par temps froid. Cela est dû à leurs réactions électrochimiques internes qui ralentissent à des températures sous zéro.

La plupart des batteries comportent trois parties principales:

• Électrodes
• Électrolyte
• Séparateur

Il y a deux électrodes dans une batterie, et les deux sont fabriquées à partir de matériaux conducteurs. Une électrode, appelée cathode, se connecte à l’extrémité positive de la batterie, et c’est là que le courant électrique quitte la batterie lors de la décharge. L’autre électrode, appelée anode, se connecte à l’extrémité négative de la batterie, et c’est là que le courant électrique entre dans la batterie lors de la décharge. 

Les deux sont maintenues séparées par le séparateur afin d’éviter un court‑circuit. Entre ces électrodes se trouve un électrolyte liquide, qui contient des particules chargées électriquement, ou ions. En se combinant avec les matériaux qui composent les électrodes, l’électrolyte engendre des réactions chimiques qui permettent à une batterie de générer un courant électrique.

Dans le cas des batteries Li‑ion, l’électrolyte est généralement un sel de lithium en solution qui transfère les particules porteuses de charge (ions) entre les électrodes de la batterie. Mais lorsqu’il fait froid, les ions ralentissent et ne peuvent plus travailler correctement avec les électrodes, affectant ainsi la capacité de la batterie à générer autant de courant avant de s’épuiser. 

De plus, si trop de lithium se dépose sur une électrode, cela peut entraîner un court‑circuit et provoquer un incendie.

Ainsi, le temps froid affecte gravement la durée de vie des batteries. L’efficacité et la capacité utilisable d’une batterie sont réduites de façon significative. Une enquête AAA de l’an dernier a montré que la perte d’autonomie en hiver et les inquiétudes concernant la charge plus lente ont contribué au ralentissement de l’élan des VE.

Pour surmonter ce problème, des entreprises du monde entier travaillent sur de nouvelles chimies de batteries plus performantes. 

Par exemple, le géant chinois des batteries CATL a annoncé la deuxième génération de sa batterie sodium‑ion, qui peut se décharger à des températures aussi basses que –40 °C et possède des mesures de sécurité renforcées, visant à dépasser 200 Wh/kg en densité énergétique. 

Bien que les batteries sodium‑ion soient réputées plus sûres et plus résistantes au froid que les batteries Li‑ion, elles ont une densité énergétique moindre et des coûts de production plus élevés.

Parallèlement, des ingénieurs de l’Université du Michigan ont développé un procédé de fabrication modifié¹ pour les batteries de VE afin de permettre de longues autonomies et une charge rapide par temps froid.

L’équipe a créé des voies de 50 micromètres dans l’anode et a appliqué un revêtement de 20 nm d’un matériau vitré à base de lithium borate‑carbonate pour empêcher la formation de dépôt de lithium sur les électrodes de la batterie. Les batteries Li‑ion pour VE fabriquées avec ces modifications peuvent se charger 500 % plus rapidement à 14 °F (-10 °C) et conservent 97 % de leur capacité même après 100 charges rapides à de telles températures froides.

« Pour la première fois, nous avons montré une voie permettant d’atteindre simultanément une charge ultra‑rapide à basse température, sans sacrifier la densité énergétique de la batterie lithium‑ion. »

– Co‑auteur Neil Dasgupta, professeur associé en génie mécanique et sciences des matériaux à l’U‑M

D’autres optimisent les formulations d’électrolyte et modifient les matériaux d’anode, développent des technologies de batterie spécialisées, intègrent une isolation plus épaisse avec des chauffages intégrés, proposent une charge intelligente à température contrôlée², et présentent un algorithme de contrôle prédictif³ pour ajuster la température de la batterie, entre autres solutions.

Parallèlement à ces avancées continues dans les matériaux, les électrolytes et d’autres technologies pour relever les défis des batteries par temps froid, les scientifiques explorent également des systèmes de stockage d’énergie alternatifs tels que les batteries à base d’hydrogène.

Batteries à hydrogène : comment elles fonctionnent et pourquoi elles comptent

L’hydrogène est une source d’énergie propre qui, lorsqu’elle est consommée dans une pile à combustible, ne produit que de l’eau. C’est un vecteur d’énergie capable de stocker et de délivrer l’énergie générée par d’autres sources.

Le composé chimique le plus abondant de l’univers, l’hydrogène peut être produit à partir de gaz naturel, de biomasse et d’énergie nucléaire, ainsi que de sources renouvelables comme le vent et le solaire.

Ce gaz incolore, inodore et hautement inflammable est également un composant clé de l’eau et de tous les composés organiques.
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L’hydrogène est en fait un composant clé du Soleil. Il est converti en énergie par le processus de fusion nucléaire dans son noyau. Sous une pression et une chaleur immenses, les atomes d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium, libérant d’énormes quantités d’énergie. Cette énergie se propage ensuite à travers les couches du Soleil et rayonne dans l’espace sous forme de lumière et de chaleur. 

Sur Terre, l’hydrogène est une option de carburant attrayante et offre une durée de vie de batterie supérieure à celle des batteries lithium‑ion. 

Pour évaluer les performances techniques et financières d’un système de stockage d’énergie à batterie hydrogène et d’une batterie lithium‑ion, des chercheurs de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) ont évalué⁴ deux systèmes commercialement disponibles, LAVO et Tesla (TSLA ) Powerwall 2. Ils ont constaté que le premier présente davantage de pertes d’énergie. 

Cependant, les batteries à hydrogène ont montré une moindre dégradation de capacité et une densité énergétique plus élevée que les batteries lithium‑ion, leur permettant de stocker plus d’énergie sur une plus longue durée. Leur capacité à supporter 18 % de cycles charge‑décharge supplémentaires par rapport à la batterie Li‑ion les rend « adaptées aux applications éloignées nécessitant une durée de stockage d’énergie prolongée ».

Une étude distincte de l’Université des Sciences et Technologies de Chine (USTC) a développé un nouveau système de batterie chimique⁵ pour un avenir plus sûr et plus durable des systèmes alimentés par batterie.

Alors que les batteries à hydrogène actuelles utilisent H₂ comme cathode, ce qui limite leur plage de tension et leur capacité de stockage, l’équipe de recherche de l’USTC a proposé de l’utiliser comme anode. L’équipe a développé un prototype, comportant une anode lithium, un électrolyte solide et une couche de diffusion gazeuse revêtue de platine agissant comme cathode hydrogène.

L’équipe rapporte une énergie spécifique théorique allant jusqu’à 2 825 Wh/kg, une décharge d’environ 3 V et une efficacité de cycle complet de 99,7 % dans leur configuration Li‑H — indiquant un fort potentiel, bien que le chiffre de 2 825 Wh/kg ne soit pas une mesure réalisée au niveau du pack.

Pour améliorer son rapport coût‑efficacité, l’équipe a construit une batterie Li‑H sans anode. Ici, le dépôt de lithium provient de sels de lithium lors de la charge. La version améliorée permet un dépôt et un décapage efficaces du lithium et fonctionne de façon stable même à de faibles concentrations d’hydrogène, réduisant ainsi la dépendance aux réservoirs d’hydrogène à haute pression.

Comparée aux batteries nickel‑hydrogène classiques, le système Li‑H offre une densité énergétique et une efficacité accrues, ouvrant la voie à de futures explorations des applications technologiques des batteries Li‑H.

Malgré les nombreux avantages de l’hydrogène pour le stockage d’énergie propre, le stocker n’est pas simple. En fait, le stockage constitue un défi majeur avec l’utilisation de l’hydrogène.

L’électrolyte hydride Ba–Ca–Na qui débloque le stockage d’hydrogène à basse température

Le stockage de l’hydrogène nécessite soit des températures extrêmement basses (−252,8 °C), soit des pressions élevées (350 à 700 bar), ou les deux. Le stocker à l’état solide évite les risques de sécurité associés aux réservoirs de gaz à haute pression, mais il rencontre des limites matérielles à basse température.

Pour y remédier, des chercheurs de l’Institut de Science de Tokyo (Science Tokyo) ont exploré le stockage d’hydrogène électrochimique médié par l’ion hydrure, ce qui les a conduits à découvrir un électrolyte solide prometteur conduisant les ions hydrure⁶ à partir d’un système d’hydrure de baryum, calcium et sodium.

La combinaison d’ions de tailles différentes a été rapportée comme offrant une super‑conductivité ionique, et c’est dans cette perspective que les chercheurs ont décidé de combiner leurs ions: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

L’électrolyte solide résultant, de type anti‑α‑AgI Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅, possède une stabilité électrochimique exceptionnelle et une conductivité des ions hydrure (H⁻). 

Il est remarquable que cette stabilité électrochimique permette un couplage flexible avec de nombreuses électrodes métal‑hydrure. Ainsi, l’électrolyte fonctionne bien avec plusieurs électrodes métal‑hydrogène, telles que l’hydrure de titane et l’hydrure de magnésium (MgH₂), permettant un stockage d’hydrogène réversible à haute capacité à basse température.

Dans les expériences initiales, les chercheurs ont testé leur électrolyte dans un système où il était placé entre TiH₂ (dihydrure de titane est un composé de titane et d’hydrogène) et des électrodes de référence en titane, ainsi que du noir d’acétylène et des collecteurs de courant en molybdène. 

Cela a permis aux chercheurs de déterminer la fenêtre de potentiel stable de l’électrolyte solide, la meilleure jamais rapportée.

Une conductivité élevée des ions H⁻ a également été rapportée par les chercheurs, due à la structure cubique centrée (bcc) de l’électrolyte. Cette structure possède une densité d’empilement plus faible, offrant « un chemin ouvert pour le transport ionique ». Les cations hautement polarisables du cadre ont également contribué à la haute conductivité ionique.

Ensuite, pour tester les capacités de stockage d’hydrogène de leurs électrolytes, les chercheurs ont produit une cellule utilisant du MgH₂.

Le MgH₂ est un composé chimique étudié pour le stockage d’hydrogène en raison de sa haute capacité et de son faible coût. Ce matériau peut être intégré dans un système de type batterie où l’hydrogène est stocké et libéré lors de la charge et de la décharge. Cependant, son utilisation a été limitée par des réactions secondaires indésirables, une absorption et une désorption d’hydrogène peu réversibles, et la nécessité de températures aussi élevées que 300 °C et plus.

Mais les chercheurs ont réussi à faire fonctionner des cellules Mg‑H₂ comme dispositifs de stockage d’hydrogène, démontrant une capacité de 2 030 mAh/g à 90 °C.

De 300–400 °C à ~90 °C : une batterie à hydrogène pratique à basse température

La nouvelle batterie à hydrogène des chercheurs de Science Tokyo a surmonté les limites de capacité faible et de températures élevées des méthodes antérieures. Au lieu de fonctionner à 300‑400 °C (572‑752 °F), ce qui est requis pour les approches actuelles de stockage d’hydrogène à l’état solide, cette batterie fonctionne à 90 °C (194 °F).

La batterie fonctionne en faisant migrer les ions hydrure à travers un électrolyte solide, permettant à l’hydrure de magnésium (MgH₂) de stocker et libérer l’hydrogène de façon répétée à pleine capacité.

Avec ce développement, les chercheurs offrent une méthode pratique pour stocker le carburant hydrogène, ouvrant la voie aux véhicules à hydrogène et aux systèmes d’énergie propre.

« Nous avons démontré le fonctionnement d’une batterie Mg‑H₂ comme dispositif de stockage d’énergie hydrogène sûr et efficace, atteignant une haute capacité, une basse température et une absorption/libération réversible du gaz hydrogène. »

– Professeur assistant Naoki Matsui

Alors que les batteries à hydrogène à composants solides existent déjà, elles nécessitent des températures de fonctionnement élevées. La nouvelle batterie à hydrogène, cependant, peut atteindre la capacité de stockage théorique complète de l’anode MgH₂ et une haute conductivité ionique à température ambiante. Cela est dû à l’électrolyte solide Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅.

Fabriqué à partir d’hydrure de baryum (Ba), de calcium (Ca) et de sodium (Na), l’électrolyte peut déplacer les ions hydrure (H⁻) efficacement.

Il possède une structure cristalline (type anti‑α‑AgI), connue pour sa super‑conductivité ionique. Dans cette structure, Ba, Ca et Na occupent des positions centrées, tandis que les ions hydrure se déplacent à travers des sites octaédriques et tétraédriques partageant des faces, permettant leur migration libre. 

Cette nouvelle batterie fonctionne comme une batterie Li‑Ion, mais au lieu de déplacer des ions positivement chargés à travers l’électrolyte, elle utilise des ions hydrure qui portent une charge négative et peuvent traverser sa structure cristalline.

La batterie utilise l’hydrure de magnésium (MgH₂) comme anode et le gaz hydrogène (H₂) comme cathode. 

Lors de la charge, l’anode MgH₂ libère des ions hydrure, qui migrent à travers le nouvel électrolyte vers la cathode, où ils sont oxydés pour libérer du gaz hydrogène.

Le processus s’inverse lors de la décharge, le gaz hydrogène à la cathode est réduit en ions hydrure, par une réaction chimique, qui traverse l’électrolyte jusqu’à l’anode, où il réagit avec le Mg pour former MgH₂. La réaction d’oxydoréduction (redox) fait perdre des électrons à l’anode chargée négativement, qui circulent à travers un circuit externe vers la cathode chargée positivement, délivrant ainsi de l’énergie aux systèmes connectés.

Cela permet à la cellule à l’état solide de stocker et de libérer H₂ lorsqu’il est requis à des températures juste en dessous du point d’ébullition de l’eau.

En utilisant cette cellule, les chercheurs ont atteint la capacité de stockage théorique complète du MgH₂ sur plusieurs cycles. La capacité de 2 030 mAh/g est bien supérieure à celle des batteries lithium‑ion, qui se situe entre 154 et 203 mAh/g.

« Ces propriétés de notre batterie de stockage d’hydrogène étaient auparavant inaccessibles via les méthodes thermiques conventionnelles ou les électrolytes liquides, offrant une base pour des systèmes de stockage d’hydrogène efficaces adaptés à une utilisation comme vecteur énergétique. »

– Takashi Hirose, auteur principal de l’étude et professeur associé à l’Institut de recherche chimique (ICR) de l’Université de Kyoto

Bien que la batterie ne soit pas encore prête pour une utilisation quotidienne, cela constitue une percée dans le stockage d’énergie hydrogène à des températures bien plus basses que celles auparavant possibles, ouvrant la voie à un stockage d’hydrogène plus efficace et plus simple. 

Cela pourrait conduire les batteries à hydrogène à remplacer les lourdes batteries lithium‑ion, qui se dégradent et perdent en efficacité avec le temps, dans les voitures électriques.

De plus, en permettant le stockage d’hydrogène sans recourir à des systèmes à haute pression, à un refroidissement extrême ou à des températures de fonctionnement élevées, ce nouveau design de batterie peut soutenir l’utilisation de l’hydrogène comme source d’énergie verte et accélérer la transition continue vers l’énergie verte.

Les chercheurs prévoient maintenant de développer des électrolytes solides et des matériaux d’électrode avec une conductivité ionique plus élevée. Ils travailleront également sur des conceptions d’appareils à températures de fonctionnement plus basses et à efficacité énergétique améliorée.

Investir dans la technologie des batteries à hydrogène

Bloom Energy Corporation (BE ) conçoit et fabrique des piles à combustible à oxyde solide (SOFC). Son système de piles à combustible fournit de l’électricité sur site pour la fabrication de semi‑conducteurs, les centres de données, les grandes utilities et d’autres secteurs. Il a déployé un total de 1,5 GW de puissance sur plus de 1 200 installations dans le monde. 

L’entreprise propose deux produits : le Bloom Electrolyzer pour la production d’hydrogène et le Bloom Energy Server pour la génération d’électricité.

En ce qui concerne la performance boursière de Bloom, elle a connu un rallye massif cette année. En hausse de 391 % depuis le début de l’année, les actions BE ont atteint un sommet historique (ATH) de 125,75 $ ce mois-ci. À ce niveau, l’EPS (TTM) est de 0,11 et le P/E (TTM) de 1 013,28.

Quant à la situation financière de l’entreprise, Bloom a déclaré un chiffre d’affaires de 401,2 millions de dollars pour le deuxième trimestre 2025, en hausse de 19,5 % par rapport au même trimestre de l’année précédente. Sa marge brute était de 26,7 % et sa marge brute non‑GAAP de 28,2 % tandis que sa perte d’exploitation s’élevait à 3,5 millions de dollars durant cette période.

« À mesure que l’énergie sur site devient de plus en plus évidente, compte tenu de la croissance rapide de l’IA, il n’a jamais été aussi évident que le marché réclame les produits Bloom. Contrairement aux alternatives, nos produits sont conçus spécifiquement pour la révolution numérique. »

– Fondateur et PDG KR Sridhar

Après avoir collaboré avec Oracle (ORCL ) pour fournir de l’énergie sur site à ses centres de données IA, Bloom Energy s’est désormais associé à Brookfield (NYSE: BAM), qui investira jusqu’à 5 milliards de dollars pour déployer sa technologie de piles à combustible. Ensemble, les deux « créent un nouveau plan directeur pour alimenter l’IA à grande échelle ».

Dernières actualités et développements des actions Bloom Energy Corporation (BE)

Conclusion

Grâce à leur haute efficacité énergétique, leur haute densité énergétique et leur longue durée de cycle, les batteries lithium‑ion sont devenues un choix populaire pour les véhicules électriques ainsi que pour le stockage d’énergie. Mais bien sûr, le temps froid représente un grand défi pour ces batteries, entraînant une baisse de leur capacité et de leur efficacité. 

Alors que les scientifiques et les entreprises du monde entier font progresser les conceptions de batteries de prochaine génération, l’hydrogène gagne en importance en tant que vecteur énergétique et carburant du futur.

La nouvelle batterie à hydrogène avec électrolyte solide marque une étape importante grâce à sa capacité à stocker et libérer l’hydrogène à des températures extrêmement basses, quatre fois plus froides que les modèles précédents. En permettant un fonctionnement stable et une capacité théorique complète, cette percée pourrait permettre la création de batteries plus denses et plus durables pour les VE, améliorant considérablement leurs performances dans les climats extrêmes.

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Références :

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Permettre une charge ultra‑rapide 6C des batteries Li‑ion à températures sous zéro grâce à l’ingénierie d’interface et aux architectures 3D. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Charge intelligente à température contrôlée pour les véhicules électriques dans les climats froids. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Charge rapide optimale intégrée et gestion thermique active des batteries lithium‑ion dans des températures ambiantes extrêmes. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Évaluation des batteries à hydrogène et lithium‑ion dans les systèmes photovoltaïques solaires sur les toits. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Batteries rechargeables au lithium‑hydrogène. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Stockage d’hydrogène à haute capacité et réversible utilisant des électrolytes solides conducteurs H⁻. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996