Si l’on veut réussir la transition écologique, l’un des points clés est le stockage de l’énergie renouvelable et le déploiement des véhicules électriques. Mais la technologie possède ici un maillon faible à plusieurs titres : la batterie électrique. Approvisionnement des matériaux, souveraineté industrielle, création des réseaux de bornes de recharge, les obstacles sont nombreux. Les batteries sont aujourd’hui quasiment toutes conçues à base de lithium, un matériau rare dont la production, dominée par la Chine, est loin d’être écologique. Il existe pourtant des alternatives au lithium et notamment le zinc. C’est le quatrième matériau le plus produit dans le monde. Il promet des batteries moins coûteuses, moins toxiques pour l’environnement et plus sûres. Alors ?
Pendant que la France, soucieuse de préserver un minimum de souveraineté dans un des secteurs clés de la transition écologique, construit des gigafactories de batteries au lithium, les États-unis s’intéressent à une alternative prometteuse : les batteries à base de zinc. Ils viennent d’y investir des centaines de millions de dollars via le ministère américain de l’énergie. Le bénéficiaire de ce financement de plus de 400 millions de dollars est une startup, Eos Energy, qui fabrique des batteries à l’halogénure de zinc. L’entreprise espère qu’elles pourront un jour être utilisées pour stocker l’énergie renouvelable et alimenter les véhicules électriques à un coût inférieur à celui des batteries lithium-ion existantes.
Le lithium, choix par défaut
Aujourd’hui, les batteries lithium-ion sont le choix par défaut pour stocker l’énergie dans des appareils allant des ordinateurs portables aux véhicules électriques. Le coût de ces types de batteries dont le marché est largement dominé par les Chinois, a chuté au cours de la dernière décennie, mais le besoin d’options encore moins chères se fait de plus en plus sentir. Les panneaux solaires et les éoliennes ne produisent de l’énergie que par intermittence, et pour qu’un réseau électrique alimenté par ces sources renouvelables fonctionne 24 heures sur 24, les opérateurs de réseau ont besoin de moyens pour stocker cette énergie jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire. À lui seul, le réseau américain pourrait avoir besoin de 225 à 460 gigawatts de capacité de stockage d’énergie à long terme d’ici à 2050.
De nouvelles batteries, comme la technologie à base de zinc qu’Eos espère commercialiser, pourraient stocker l’électricité pendant des heures, voire des jours, à faible coût. Ces systèmes de stockage, ainsi que d’autres systèmes alternatifs, pourraient jouer un rôle essentiel dans la mise en place d’un approvisionnement constant en électricité pour le réseau et dans la réduction de l’impact de la production d’électricité sur le climat dans le monde entier.
L’avantage du zinc
Le zinc présente plusieurs avantages : il est abondant, bon marché et bénéficie d’une infrastructure de recyclage mature. De plus, les batteries au zinc peuvent stocker une grande quantité d’électricité. Leur atout majeur est qu’elles n’ont pas besoin de solvants organiques inflammables, contrairement aux batteries lithium-ion.
Dans les batteries d’Eos, la cathode n’est pas constituée du mélange habituel de lithium et d’autres métaux. L’ingrédient principal est le zinc, qui est le quatrième métal le plus produit au monde.
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Les piles à base de zinc ne sont pas une invention nouvelle – des chercheurs d’Exxon ont breveté des piles à flux de zinc-bromure dans les années 1970 – mais Eos a développé et modifié la technologie au cours de la dernière décennie.
Selon Francis Richey, vice-président de la recherche et du développement chez Eos, les batteries zinc-halide présentent quelques avantages potentiels par rapport aux options lithium-ion. « Il s’agit d’une façon fondamentalement différente de concevoir une batterie, depuis le début », explique-t-il.
Les batteries d’Eos utilisent un électrolyte à base d’eau (le liquide qui déplace la charge dans une batterie) au lieu d’un solvant organique, ce qui les rend plus stables et signifie qu’elles ne prendront pas feu, explique M. Richey. Les batteries de la société sont également conçues pour avoir une durée de vie plus longue que les cellules lithium-ion – environ 20 ans contre 10 à 15 ans – et ne nécessitent pas autant de mesures de sécurité, comme le contrôle actif de la température.
Il reste toutefois encore un chemin de développement pour ce type de batteries. Kara Rodby, directrice technique chez Volta Energy Technologies, une société de capital-risque spécialisée dans les technologies de stockage de l’énergie, explique que les batteries à base de zinc et les autres batteries alternatives devront relever certains défis techniques pour pouvoir être intégrées au réseau. Les batteries au zinc ont un rendement relativement faible, ce qui signifie qu’elles perdent plus d’énergie lors de la charge et de la décharge que les cellules au lithium-ion. Les batteries zinc-halide peuvent également être victimes de réactions chimiques indésirables qui peuvent raccourcir leur durée de vie si elles ne sont pas gérées.
Le défi de la taille
Selon M. Rodby, il est possible de relever ces défis techniques dans une large mesure. Le plus grand défi pour Eos et d’autres fabricants de batteries alternatives sera de produire à grande échelle et de réduire les coûts. « C’est ce qui est difficile ici », dit-elle. « Par définition, il s’agit d’un produit et d’un marché à faible coût.
Les batteries pour le stockage en réseau doivent devenir bon marché rapidement, et l’une des principales solutions consiste à en produire en grandes quantités.
Eos exploite actuellement une usine semi-automatisée en Pennsylvanie, dont la production maximale est d’environ 540 mégawattheures par an (s’il s’agissait de batteries lithium-ion, cela suffirait à alimenter environ 7 000 véhicules électriques américains moyens), bien que l’usine ne produise pas actuellement à pleine capacité.
Le financement du ministère de l’environnement permettra d’installer jusqu’à quatre lignes supplémentaires entièrement automatisées dans l’usine existante. Au total, les quatre lignes pourraient produire annuellement huit gigawattheures de batteries d’ici à 2026, soit suffisamment pour répondre aux besoins quotidiens de 130 000 foyers.
De nombreuses batteries alternatives ont eu du mal à passer du stade des échantillons en laboratoire et des petites séries à celui de la production commerciale à grande échelle. En outre, les problèmes de financement et de recherche d’acheteurs ont eu raison des start-ups proposant un large éventail de chimies alternatives au cours de la dernière décennie.
Selon M. Kroeker, il peut être difficile d’introduire des solutions alternatives sur le marché du stockage de l’énergie, même s’il estime que c’est le bon moment pour que les nouvelles chimies de batteries fassent une percée. Alors que les énergies renouvelables se précipitent sur le réseau, le besoin de stockage d’énergie à grande échelle est beaucoup plus important qu’il y a dix ans. « Je pense que nous avons l’occasion, une fois par génération, de changer la donne dans notre transition énergétique », espère-t-il.
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Source : MIT Technology Review
