Batteries métal-air: pétrole au rancart

Cela faisait plusieurs mois que j'étais très occupé et ne pouvais par conséquent pas poster d'articles sur les sujets qui me tiennent à cœur. Maintenant, j'ai beaucoup plus de temps et on peut reprendre ensemble cette série d'articles dédiés aux moyens de stockage de l'énergie électrique du très proche futur. Aujourd'hui: les batteries métal-air.

Depuis longtemps, les divers experts du domaine de l'électrochimie savent que certain métaux en réaction à l'oxygène, s’oxydent ou se dégradent en libérant de l'énergie: de l'électricité et aussi de la chaleur.

Lorsque l'on aborde le sujet des batteries métal-air, on veut donc parler de différents métaux et d'oxygène. Les batteries métal-air les plus connues où qui font l'objet de recherches assidues en ce moment sont les suivantes:

  • Zinc/oxygène
  • Magnesium/oxygène
  • Aluminium/oxygène
  • Lithium/oxygène

La recherche est, à l'heure actuelle, la plus importante sur l'Aluminium/oxygène et le Lithium/oxygène.

Mais on peut aussi citer les technologies ci-dessous qui sont plus confidentielles, entendez par là, dont on entend peu parler:

  • Fer/oxygène
  • Calcium/oxygène
  • Berylium/oxygène
  • ainsi que Sodium/oxygène

Le plus grand intérêt de ces batteries, c'est quelles sont susceptibles d'offrir l'énergie spécifique la plus importante, et de loin en comparaison aux batteries traditionnelles majoritairement utilisées aujourd'hui (lithium-ion). Elles sont beaucoup plus petites et légères car il n'y a plus de cathode. La cathode est en effet remplacée par l'oxygène puisé dans l'air ambiant. Elles seront aussi beaucoup moins chères en raison de l'économie de matériaux réalisée (là encore, pas de cathode au sens "matériel" du terme) et la plupart de ces batteries métal-air n'utilisent plus de terres rares, puisque l'on utilise des métaux abondants tels que l'aluminium pour la batterie aluminium/oxygène.

Rappelez-vous dans un de mes précédents articles, j'avais posté un tableau récapitulatif des énergies spécifiques à nouveau reproduit ci-dessous:

specific_energies.png

Comme on le voit sur le graphique ci-dessus, une batterie aluminium/oxygène permet une densité énergétique pratique de 1300 Wh/kg, et une batterie lithium/oxygène, 3700 Wh/kg, en comparaison des 240 Wh/kg obtenus avec les meilleures batteries lithium/ion actuelles (la pile Panasonic NCR18650B).

Jusqu'à il y a peu, ces techniques d'électrochimie étaient laissées de côté parce que l'on arrivait pas à exploiter leur potentiel assez longtemps, en raison d'une dégradation rapide des éléments constituant ces batteries:

  • problème pour inventer ou trouver le bon électrolyte (qu'il soit aqueux, gel ou solide)
  • problème de désintégration irréversible du métal utilisé (décomposition en d'autres composés que l'on ne savait pas re-traiter)
  • donc, problème de réversibilité du cycle (charge de la batterie)
  • et problème d'oxydation en raison de l'introduction de composés non désirés en fonctionnement, comme le CO2 par exemple dans une pile aluminium/oxygène.

Mais, deux sociétés en particulier travaillent activement à la concrétisation de batteries métal/air fonctionnelles:

  • aluminium/oxygène: société israélienne Phinergy, depuis 2008
  • lithium/oxygène: société IBM dans ses laboratoires de Zurich en particulier: c'est le "IBM Battery 500 project"

Phinergy en est à la phase d'industrialisation/commercialisation depuis juin 2014, et IBM en est à la phase de R&D/prototype.

Je vais donc disserter plus spécifiquement dans cet article de Phinergy et de la batterie Aluminium/oxygène.

Phinergy-logo.png

Phinergy a démontré que leur batterie était tout à fait fonctionnelle en faisant rouler une citroën C1 sur quelques milliers de kilomètres en "une seule charge". Leur batterie, d'un poids d'une centaine de kilos seulement, donne une autonomie de l'ordre de 3000-4000 km! Par contre on ne sait pas encore dans quelles conditions (vitesse moyenne, etc.).

alcoa-phinergy-citroen.jpg

Cette batterie a aussi besoin d'eau déminéralisée pour fonctionner. Elle est à usage unique (batterie primaire) dans le sens ou les plaques d'aluminium se décomposent lentement en hydroxyde d'aluminium pendant la décharge. Les plaques sont littéralement "consommées", "désintégrées" et se faisant, elles produisent de l'électricité et de la chaleur. L'hydroxyde d'aluminium est par la suite récupéré puis entièrement recyclé en aluminium tout neuf par réaction inverse. Mais cette phase, que l'on pourrait rapprocher d'une phase de charge d'une batterie traditionnelle, ne peut se faire qu'en usine de retraitement spécialisée.

Ainsi, pour refaire 3000 à 4000 km, il suffit de recharger le dispositif en plaques d'aluminium. Il serait aussi nécessaire de changer l'eau, saturée d’hydroxyde d'aluminium, tous les 300 km. On peut aussi, au même titre que les voitures thermiques ont un réservoir d'essence, avoir un réservoir d'eau qui permette le remplacement de l'eau chargée en hydroxyde d'aluminium par de l'eau nouvelle de façon automatisée.

Phinergy-BATTERY.jpg

D'après les recherches que j'ai pu effectuer sur le sujet, Phinergy aurait annoncé tirer 8 kWh par kg d'aluminium: à la fois électricité (donc kWh électrique) mais aussi chaleur (donc kWh thermique). La chaleur est récupérée pour produire du froid (type pompe à chaleur réversible comme dans la Renault ZOE), et climatiser le véhicule. Autrement dit, ils exploiteraient le potentiel non pas pratique (donc jugé possible) qui faisait consensus jusqu'à maintenant, mais théorique dans sa totalité (qui deviendrait donc le nouveau potentiel pratique). A confirmer, mais si c'est le cas et cela semble l'être, ce serait une grande première et même très au-dessus de ce qu'IBM réussi à obtenir avec le lithium/oxygène en laboratoire.

phinergy_bat_element.jpg

Le système est relativement simple et aisé, semble-t-il, à utiliser et manipuler: au lieu de faire le plein d'essence en station service, on fera le plein de plaques d'aluminium et les pompes à essence seront remplacées par des pompes à eau. Et en France, on a beaucoup d'aluminium (et peu de cuivre: c'est une des raisons essentielles qui font que toutes nos lignes de transport électriques sont en aluminium).

Les tractations en cours autour de la technologie de Phinergy:

Phinergy vient de s'associer en juin 2014, avec Alcoa, un grand fabricant d'aluminium au Québec. La phase industrielle/commerciale est donc bien sur les rails.

A noter aussi que Tesla et Renault s'intéressent de près à Phinergy et que des discussions auraient été menées/sont en cours. Renault-Nissan a d'ailleurs signé un contrat avec Phinergy afin d'utiliser leur technologie: une pré-série de voitures sera construite entre 2017 et 2019. Autant dire, demain. Cela a été confirmé en présence de Barak Obama et du premier ministre israélien. Quand à Elon Musk, patron de Tesla, je m'étonne encore qu'il n'ait pas déjà racheté Phinergy!

Maintenant, voyons un peu ce qui se passe autour de Phinergy et Tesla. Si vous avez lu mon précédent article ou d'autres publications sur la toile, vous aurez pu apprendre que Tesla a ces quelques dernières semaines, ouvert tous ces brevets à tous (sous certaines conditions tout de même). Dans ces brevets, il y en a notamment deux (références 20130187591 et 20130181511) qui revêtent un intérêt particulier car ils montrent très clairement l'orientation future qui sera prise par la société d'Elon Musk pour ce qui est de l'avenir électrique de nos automobiles.

tesla_hybrid_battery_car.png

En effet, comprenez bien que la technologie développée par Phinergy permet le développement d'un nouveau type de véhicule hybride: celui-ci serait en fait une hybridation de deux technologies de batterie différentes et complémentaires:

  • une batterie lithium/ion telle que celle créée par Tesla pour ses modèles actuels, mais de plus faible capacité, permettant de rouler pour environ 70 à 100 km. Cette batterie est bien entendu rechargeable.
  • une batterie aluminium/oxygène de Phinergy qui recharge la batterie lithium/ion dès lors que le véhicule est sollicité pour de longs et même très longs trajets. Cette batterie, comme on l'a vu, n'est pas rechargeable par la voie traditionnelle, agissant comme un prolongateur d'autonomie permettant d'effectuer 3000 à 4000 km supplémentaires.

La batterie lithium/ion serait donc la seule sollicitée pour les trajets courts réalisés au quotidien et en très très grande majorité, tandis que la batterie aluminium/oxygène serait utilisée de façon très occasionnelle, de sorte qu'il serait nécessaire de la recharger en plaques d'aluminium peut-être une ou deux fois par mois en moyenne.

On a donc là un véhicule purement électrique a très très forte autonomie. A ce niveau là de prestation, on pourrait déjà affirmer que ce serait la fin de l'essence et du gasoil pour l'automobile. Mais grâce à la technologie de Phinergy, on peut même aller beaucoup plus loin en produisant d'autres types de véhicules purement électriques, que l'on ne peut pas actuellement produire en dehors de la voiture avec la technologie lithium/ion, parce qu'il faudrait 3 tonnes de batteries:

  • camions (il y a des camions électriques créés par Volvo)
  • bus
  • tramway (on évite ainsi toute pose de caténaires, et on fait des économies substantielles)
  • bateaux (type bateaux de plaisance ou petits yoats)
  • avions (il y a un avion biplace récemment créé par Airbus, propulsé par deux turbines électriques, avec une heure d'autonomie)

airbus_electrique.jpg

airbus_e-fan.jpg

Mais un tas d'autres applications sont toutes aussi intéressantes:

  • marché des onduleurs, et backups de puissance électrique
  • militaires
  • médicales
  • alimentations en sites isolés ou zones dangeureuses/dévastées, en remplacement des groupes électrogènes
  • applications stationnaires en soutien de réseau électrique (soutenir les pointes de consommation par exemple)
  • etc.

Le champ des possibles devient donc subitement très important et prometteur grâce à la technologie de Phinergy. On comprend donc pourquoi Tesla et Renault s'y intéressent de très très près.

A mon sens, le véhicule idéal serait donc très proche de celui exposé par Tesla dans son brevet. Le changement que j'y apporterais porterait sur la batterie lithium/ion: je la remplacerais par une batterie lithium/sulfur. Cela permettrait là encore, pour une même autonomie en terme de nombre de km, de gagner en poids sur cette batterie spécifique là, et contribuerait à faire baisser encore plus le coût global du véhicule. Comme j'ai déjà pu l'exposer dans un article précédent, les batteries lithium/sulfur deviennent une technologie mature, consomment moins de terres rares et beaucoup plus d'éléments abondant sur terre tels que le souffre, sont beaucoup plus légères que les batteries lithium/ion, et éliminent les risques inhérents à ces dernières (feu, explosion).

Comme autres avantages, on peu citer le fait que l'on serait sevré de la dépendance envers les asiatiques concernant l'accès aux terres rares, essentiellement concentrées chez eux. Il nous serait facile, en France, de localiser une usine de production de batteries aluminium/oxygène exploitant les brevets de Phinergy, pour alimenter notre marché intérieur.

Du côté des automobilistes que nous sommes, le principal avantage de taille que je remarque, c'est que la phobie de la panne sèche "électrique" disparait. Et du même coup, un des principaux freins à l'achat d'un véhicule purement électrique.

J'espère que Renault proposera rapidement des voitures avec batterie aluminium/oxygène, une ZOE 2 par exemple, permettant une autonomie de l'ordre de 1000 km?

Par contre, je m'interroge sur le cycle de vie complet de la technologie de Phinergy, et donc sur le bilan carbone:

  • quid du cycle de production de l'aluminium?
  • quid du cycle de collecte et retraitement de l'hydroxyde d'aluminium?
  • quid du bilan financier de tout cela?
  • et donc, quid du COP (coefficient de performance énergétique) global?

Il faudrait au minimum que ce COP soit supérieur au COP de nos voitures thermiques...

L'avenir, que j'espère très prometteur pour cette technologie de batterie, le dira sans doute!

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