Batteries recyclables à l’horizon : remplacer les électrolytes organiques par de l’eau

Batteries à eau & Sécurité incendie

Depuis des années, les batteries lithium-ion sont la forme dominante de batterie sur le marché, tant pour l’électronique que pour les véhicules électriques. Cela est dû à leur profil exceptionnel en termes de densité énergétique et de sécurité globale. Mais lorsqu’elles échouent, elles le font de manière spectaculaire, avec des incendies très intenses difficiles à éteindre. Cela pose également problème lorsque les batteries arrivent en fin de vie et doivent être recyclées.

Le scénario le plus défavorable est lorsqu’une défaillance d’une batterie provoque une cascade d’incendies sur les batteries adjacentes, une préoccupation très réelle lors de la construction de parcs de batteries au lithium-ion pour les grands systèmes à l’échelle utilitaire. Le risque d’incendie dans les batteries au lithium provient principalement des électrolytes organiques inflammables utilisés pour relier l’anode et la cathode de la batterie.

Des chercheurs du RMIT en Australie pourraient avoir trouvé une solution en remplaçant les électrolytes par de l’eau. L’équipe est dirigée par le Prof. Tianyi Ma (à gauche), qui a travaillé sur le projet avec le Dr. Lingfeng Zhu (à droite).

Source: RMIT

Les soi‑disant batteries à eau, ou batteries à ions métalliques aqueuses, ne peuvent pas déclencher d’incendie ni exploser. Elles présentent également une très faible toxicité tant pour les humains que pour l’environnement.

Promesses des batteries à eau

La conception des batteries à eau repose sur des éléments simples comme le zinc et le magnésium, qui sont abondants et peu toxiques, réduisant les coûts de fabrication et facilitant leur production en masse.

En pratique, cela signifie que les batteries à eau peuvent se présenter sous plusieurs formes. Par exemple, elles existent sous forme de batterie à ions magnésium ou batterie à ions ammoniac.

Et l’équipe du Prof. Tianyi travaille à rendre ces batteries commercialement viables en résolvant les détails qui ont jusqu’à présent freiné leur adoption.

Un exemple est l’amélioration d’une électrode de manganèse, créant des condensateurs utilisant du magnésium et du manganèse et atteignant « une capacité de 128,39 Wh/kg avec une capacité de cyclage ultra‑longue, conservant 85 % de capacité après 6000 cycles »

Les propriétés électrochimiques exceptionnelles, ainsi que les implications critiques en matière de sécurité d’un électrolyte aqueux, rendent ce MIC aqueux prometteur pour les applications de stockage d’énergie à grande échelle. De plus, la stratégie du concept de construction à défauts doubles cation‑anion devrait fournir des informations essentielles pour la fabrication de batteries rechargeables à base d’ions métalliques.

Source: Energy Storage Material

Résolution des dendrites

Un autre problème rencontré par la plupart des batteries est la croissance progressive de dendrites dans la batterie. Les dendrites sont des structures métalliques pointues qui peuvent, avec le temps, créer des courts‑circuits (et des incendies dans le cas du lithium‑ion). Les batteries à eau sont également vulnérables à ce problème de dendrites.

En revêtant les parties métalliques de la batterie de bismuth, on crée une couche protectrice qui empêche la formation de dendrites.

Cela rend les nouvelles batteries nettement plus durables que les batteries lithium‑ion, les rendant adaptées à une utilisation intensive comme les packs de batteries à l’échelle utilitaire, voire même aux véhicules commerciaux. En particulier, étant beaucoup plus sûres, elles constituent un bon candidat pour élargir la sélection de chimies alternatives au lithium‑ion, notamment pour les applications à grande échelle (ce que nous avons exploré davantage dans notre article « The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech », incluant les entreprises qui travaillent à les produire à l’échelle commerciale).

« Les batteries à eau à ions magnésium ont le potentiel de remplacer les batteries au plomb‑acide à court terme – environ un à trois ans – et de remplacer potentiellement les batteries lithium‑ion à long terme, dans 5 à 10 ans. »

Pr Tianyi Ma

Les batteries à eau sont-elles l’avenir ?

Les batteries à l’échelle utilitaire seront probablement radicalement différentes des batteries pour véhicules électriques, car les deux ne fonctionnent pas sous les mêmes contraintes:

• Les batteries EV doivent être légères et petites, très densité énergétique, et se charger rapidement.
• Les batteries à l’échelle utilitaire doivent être bon marché, très durables, stables/sûres, et s’appuyer sur des matériaux abondants pouvant être approvisionnés en grande quantité.

Et même dans le domaine des batteries à l’échelle utilitaire, plusieurs chimies partageront probablement le marché pendant des années, voire des décennies.

Cela s’explique par le fait que chacune aura ses propres avantages et cas d’utilisation, comme différents horizons temporels, stockant l’énergie pour le cycle nuit/jour ou pendant plusieurs semaines.

Et parce qu’en tout cas, l’adoption massive des énergies renouvelables implique l’adoption massive des batteries, et diversifier les matériaux évitera un choc de prix sur des métaux qui ne sont pas rares, mais pas non plus en surabondance massive, comme:

• Zinc (batteries au zinc)
• Magnésium (magnésium‑ion)
• Manganèse (batteries métal‑hydrogène)
• Vanadium (batteries à flux redox)
• Antimoine (batteries à métal fondu)
• Soufre (batteries sodium‑soufre)

Il n’y a actuellement aucune entreprise travaillant à commercialiser les batteries à ions magnésium. Mais cela pourrait changer bientôt, compte tenu des diverses autres combinaisons chimiques qui progressent vers la production de masse.