Batteries au lithium: l’avènement d’un « monde rechargeable »

Smartphones, ordinateurs portables, voitures électriques…: les batteries au lithium-ion, dont l’invention, il y a près de 50 ans, a valu le prix de Nobel à trois chimistes, ont révolutionné la mobilité mais leur composition et leur recyclage doivent encore évoluer.

Qu’est-ce que c’est ?

Les inventeurs de la batterie au lithium « ont crée un monde rechargeable », s’est félicité Olof Ramström, membre du comité Nobel. D’elle, dépend totalement l’autonomie de nos objets électroniques. « Ce sont les chevaux de trait invisibles de l’ère mobile », commente Paul Coxon, de l’Université de Cambridge.

Par rapport à leurs cousines au plomb ou au nickel-métal hydrure, les batteries au lithium génèrent plus d’énergie, sont plus légères et durent plus longtemps: ce sont les batteries « les plus puissantes jamais vues », résume Patrice Simon, du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie du CNRS.

Les batteries au lithium utilisent des composants organiques qui se décomposent « seulement à partir de 4,5 volts, alors que celles au plomb fonctionnent avec des électrodes à base d’eau, qui se décompose à partir de 1,2 volt », explique le chercheur au CNRS.

« Le gain d’énergie est phénoménal par rapport à ce qui se faisait il y a 40 ans. Dans un volume donné, vous pouvez stocker une quantité d' »énergie 4 à 5 fois plus importante », ajoute Patrick Bernard, directeur de la recherche chez Saft, spécialiste des applications de pointe de stockage de l’énergie .

Une batterie au lithium est constituée, sur son électrode positive, de lithium, de cobalt et d’oxygène, et sur son électrode négative, de graphite. Entre les deux, il y a du liquide où le lithium circule. « Ce mouvement du lithium se fait avec le mouvement des électrons et permet de stocker ou délivrer de l’énergie », développe Laurence Croguennec, directrice de recherche CNRS à l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux.

Quelles avantages ?

Les batteries lithium-ion sont partout: téléphones et ordinateurs portables, tablettes, prothèses auditives, pacemakers, panneaux solaires, scooters, vélos et voitures électriques…

« A ce jour, la batterie lithuim-ion n’a pas de concurrent et elle sera utilisée pendant des décennies, voire des siècles », selon Jean-Marie Tarascon, chimiste CNRS et professeur au Collège de France.

Par son importante capacité de stockage, cette technologie contribue à réduire notre dépendance aux combustibles fossiles. « Demain, dans moins de cinq ans, on pourra arrêter des centrales à charbon, à gaz, en combinant le solaire ou l’éolien avec le stockage », prédit Patrick Bernard

Dans les transports, son accélération « est fantastique ». Le marché du bus électrique, dominé par la Chine, les utilise majoritairement. Certains tramways l’utilisent sur une partie du trajet, notamment pour s’affranchir des lignes aériennes.

Et la solution est désormais en passe d’être adoptée par les trains pour sortir du diesel; Bombardier a fait circuler le premier train d’essai électrique/batteries en 2018.

Et pour l’avenir ?

Revers de la médaille: l’utilisation de certaines matières premières composant ces batteries, notamment le lithium et le cobalt, pose problème.

« Le lithium est difficilement extractible, et se trouve dans des zones qui sont géopolitiquement sensibles, comme certains pays d’Amérique du Sud », analyse Laurence Croguennec.

Le cobalt, lui « est un matériau toxique lors d’extraction des mines », précise Philippe Azais, expert batteries au CEA. Et 65% du cobalt provient de République démocratique du Congo (RDC), où les conditions d’extraction et commercialisation sont vivement contestées.

En outre, les réserves de cobalt sont rares, chères, et s’épuisent rapidement.

Les chimistes travaillent donc sur des composants alternatifs. John Goodenough a notamment travaillé sur des matériaux alliant lithium, fer et phosphate, moins performants en termes de stockage, mais moins rares et moins coûteux.

Les industriels s’attellent également à améliorer le recyclage de ces batteries, dont certains composants usés finissent dans les décharges. « Depuis environ cinq ans, on assiste à augmentation très forte du taux de recyclage des matériaux actifs », sous l’impulsion de la Chine, conclut Philippe Azais.