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Jun 22, 2023

Lithium

Par SPW | 29 janvier 2019 Par Sofiane Boukhalfa, PhD, architecte du projet ; et

Par SPW | 29 janvier 2019

Par Sofiane Boukhalfa, PhD, architecte du projet ; et Navneeta Kaul, PhD, chercheur ; les deux avec PreScouter

Le monde moderne fonctionne avec des batteries au lithium. De nombreuses chimies et nouvelles technologies sont cependant en cours de développement pour contrer les limites des batteries lithium-ion, notamment le coût élevé, l'approvisionnement en matières premières et la surchauffe. PreScouter, société de recherche basée à Chicago, a récemment publié un rapport détaillant 10 nouvelles technologies de batterie prêtes à perturber le marché au cours de la prochaine décennie et à inaugurer la prochaine vague de batteries hautes performances. Voici un aperçu de haut niveau des conclusions du rapport, y compris un examen de ces technologies de batterie les plus précieuses pour le stockage solaire plus.

Dix technologies de batteries qui pourraient perturber le marché du solaire et du stockage dans les cinq à dix prochaines années. PréScouteur

Les batteries Li-ion utilisaient traditionnellement des anodes en graphite, mais les chercheurs et les entreprises se concentrent désormais sur les anodes en silicium. Les anodes à dominante Si peuvent lier le Li-ion 25 fois plus que les ions graphite. Cependant, ces batteries souffrent d'une faible conductivité électrique, d'un taux de diffusion lent et de fortes fluctuations volumétriques lors de la lithiation. Ces limitations entraînent une pulvérisation de Si et une instabilité de l'interphase d'électrolyte solide (SEI).

Deux stratégies principales ont été utilisées pour contourner ces défis : la nanotechnologie et le revêtement de carbone. Dans la première méthode, diverses anodes en Si de taille nanométrique sont utilisées, qui ont une surface élevée, une durée de vie et une stabilité de vitesse améliorées par rapport aux anodes en Si en vrac. Ils peuvent également résister à la lithiation et à la délithiation sans se fissurer. Le revêtement de carbone utilise une combinaison de Si nanométrique avec différentes formes de matériaux carbonés pour la génération d'anodes nanocomposites Si/C hautes performances. Récemment, le carbone dopé avec des hétéroatomes comme agents de revêtement a suscité beaucoup d'intérêt. Les électrodes Si-C dopées par des hétéroatomes lient les ions Li plus fortement que les atomes de carbone, ce qui conduit à d'excellentes performances électrochimiques avec une conductivité électrique stable.

Les batteries à base de Si ont suscité beaucoup d'intérêt commercial en raison de leur potentiel de faible coût et de capacités améliorées pour les voitures et les smartphones. La concurrence est féroce, avec de nombreuses startups, dont Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials et Enevate, pour commercialiser des batteries Li-Ion à dominante Si.

L'une des alternatives les plus prometteuses aux batteries lithium-soufre sont les batteries sodium-soufre, en raison des propriétés physiques et chimiques similaires des ions Na et Li. Cependant, une température élevée (>300°C) est nécessaire pour le fonctionnement sur batterie. En tant qu'alternative prometteuse, le système de batterie RT-NaS à faible coût a suscité un intérêt de recherche considérable pour une utilisation dans des applications de réseau à grande échelle avec une sécurité renforcée. Cependant, en raison de réactions complexes au sein de la batterie, les batteries RT-NaS souffrent d'une capacité théorique plus faible.

Diverses approches ont été utilisées en 2018 pour résoudre les problèmes des batteries RT-NaS.

Une nouvelle approche des batteries rechargeables. Batterie RT-NaS avec une membrane en maille métallique. MIT

Illustration schématique de la synthèse du carbone creux décoré de nanoparticules de cobalt. Nature

Illustration schématique des électrolytes avec NaTFSI 1M conventionnel dans l'électrolyte PC et (à droite) 2MNaTFSI dans PC: FEC avec électrolyte additif InI3 10 mM. Nature

Bien que les batteries RT-NaS en soient encore à leurs débuts de développement, des entreprises comme Ambri, une société dérivée du MIT dirigée par le Dr Sadoway, s'efforcent d'améliorer la conception des batteries. La prochaine génération de technologies de stockage d'énergie basées sur le NaS pourrait bientôt devenir une réalité grâce aux efforts de recherche en cours et aux approches décrites ci-dessus.

De nombreux efforts de recherche ont été consacrés à la génération de piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEM) à haute performance. Cependant, la viabilité des piles à combustible PEM a été un défi en raison de leur coût élevé, du transport et du stockage de l'hydrogène gazeux.

Une équipe de chercheurs de l'Université RMIT a récemment rapporté pour la première fois la faisabilité technique d'une batterie à protons. Il se compose de deux parties : une électrode en carbone pour stocker l'hydrogène ou les protons de l'eau et une pile à combustible PEM réversible pour produire de l'électricité à partir de l'hydrogène. La conception de la batterie est innovante, car elle utilise du charbon actif pour l'électrode, qui est bon marché, abondant et structurellement stable pour le stockage de l'hydrogène et un petit volume d'acide liquide à l'intérieur du matériau poreux qui conduit les protons vers et depuis la membrane de la cellule réversible. Avec cette batterie, une tension de 1,8 V est réalisable.

Le nouveau concept de batterie proposé en 2014 par le professeur Andrews du RMIT. Résumé graphique du document de recherche du professeur Andrews

Bien qu'il s'agisse d'un pas de géant vers une production efficace d'énergie à partir de l'hydrogène, la commercialisation de cette technologie est encore loin. L'équipe estime que la disponibilité de la batterie se situera entre cinq et dix ans. ABB Marine et Sintef Ocean testent également une centrale de propulsion à l'échelle du mégawatt pour alimenter les navires commerciaux et à passagers utilisant des piles à hydrogène. Comme ces batteries ne nécessitent pas du tout de Li-ion, mis à part l'utilisation de platine comme catalyseur, les matériaux restants sont peu coûteux et abondants et pourraient donc être un concurrent de premier plan pour les batteries Li-ion actuelles.

Les batteries bi-ion (DIB) qui utilisent des métaux autres que le lithium ont suscité beaucoup d'intérêt ces dernières années pour le stockage stationnaire d'électricité à grande échelle. Des efforts de recherche sont en cours pour augmenter la densité d'énergie des DIB en augmentant le contenu ionique de l'électrolyte et la capacité des électrodes à stocker la charge.

Abondant, peu coûteux, facilement disponible et bon marché, l'aluminium est à l'étude comme substitut potentiel des batteries Li-ion. Des chercheurs suisses de l'ETH Zurich ont mis au point deux nouvelles technologies qui constituent un tremplin vers la commercialisation de batteries à base d'Al.

Schéma du principe de fonctionnement d'une batterie aluminium rechargeable en cours de charge avec une cathode polypyrène et un liquide ionique chloroaluminate. Matériaux avancés

Ces efforts de recherche sont très prometteurs pour la commercialisation des batteries Al-ion à utiliser comme solution de stockage peu coûteuse pour l'industrie.

Les batteries au nickel-zinc sont des batteries économiques, sûres, non toxiques et respectueuses de l'environnement qui pourraient concurrencer les batteries Li-ion pour le stockage de l'énergie. Cependant, le principal obstacle à la commercialisation a été leur faible cycle de vie.

Pour résoudre ce problème, des chercheurs chinois de l'Université de technologie de Dalian ont mis au point une technique de coupe in situ révolutionnaire pour améliorer les performances des batteries Ni-Zn en résolvant le problème de la dissolution des électrodes de Zn et en supprimant la formation de dendrites. L'équipe a développé une nouvelle électrode hybride graphène-ZnO avec la technique de coupe in situ, qui peut couper le graphène directement en nanorubans courts. Les fortes interactions interatomiques ancrent les atomes de Zn sur les surfaces de graphène. Cette approche résout en profondeur les problèmes de dissolution des électrodes de Zn, de formation de dendrites et de performances.

Avec les recherches en cours et les approches adoptées par les entreprises, ces batteries présentent un immense potentiel pour des applications commerciales généralisées de véhicules électriques (VE) et de stockage d'énergie.

Il y a eu beaucoup de percées récentes pour améliorer les performances électrochimiques des batteries potassium-ion (KIB). Trois dignes d'intérêt sont énumérés ci-dessous.

Ces nouvelles approches aideront à contourner les limites des substrats hôtes appropriés pour l'intercalation des ions K et constituent une étape prometteuse pour attirer des investissements industriels pour des applications commerciales.

L'eau peut conduire les ions et être utilisée pour former des batteries rechargeables. Cependant, la stabilité chimique de l'eau dure jusqu'à 2,3 V, soit trois fois moins que les batteries lithium-ion, ce qui limite son utilisation dans les véhicules électriques. Ces batteries pourraient convenir à des applications stationnaires de stockage d'énergie. Pour réaliser ce potentiel, des chercheurs de l'Institut suisse d'essai et de recherche sur les matériaux (Empa) ont utilisé un sel spécifique appelé bis(fluorosulfonyl)imide de sodium (FSI), qui est très soluble dans l'eau. Le liquide contenant du sel a toutes les molécules d'eau concentrées autour des cations de sodium dans une coquille d'hydrate, ce qui entraîne la présence de pratiquement aucune molécule d'eau non liée. Cette solution saline présente une stabilité électrochimique supérieure jusqu'à 2,6 V, soit deux fois plus que les autres électrolytes aqueux. Le prototype a montré des résultats prometteurs en laboratoire et peut supporter plusieurs cycles de charge-décharge.

De même, des chercheurs de Stanford ont mis au point une batterie à eau salée durable et peu coûteuse pour le stockage de l'énergie solaire et éolienne. Ces batteries sont faciles à développer, car elles n'ont besoin que de sulfate de manganèse, d'eau, de sel industriel bon marché et d'électrodes pour les réactions catalytiques. De plus, la réaction chimique stocke les électrons sous forme d'hydrogène gazeux pour une utilisation future, illustrant sa pertinence pour les applications à l'échelle du réseau. Les performances du prototype de batterie manganèse-hydrogène pourraient être augmentées et montrent une performance solide allant jusqu'à 10 000 cycles et une durée de vie prolongée. La batterie est en train d'être brevetée par les chercheurs avant les applications commerciales. Il a suscité beaucoup d'intérêt industriel, et des entreprises comme Aquion Energy s'efforcent de fabriquer des batteries moins chères pour le stockage au niveau du réseau. BlueSky Energy utilise la technologie d'eau salée d'Aquion pour le stockage solaire résidentiel.

Bien que les applications actuelles des batteries à eau salée soient limitées, elles offrent encore plusieurs avantages, notamment la sécurité, le faible coût et la non-toxicité, pour une utilisation dans des systèmes de stockage stationnaires.

Les bio-batteries microbiennes à base de papier ont suscité un intérêt généralisé, car elles sont peu coûteuses, respectueuses de l'environnement et autosuffisantes. Ils pourraient avoir d'énormes applications dans les biocapteurs et les futurs appareils électroniques. Cependant, la principale limitation est la faible performance.

Récemment, Seokheun Choi et une équipe de scientifiques ont développé une batterie microbienne haute performance conçue à partir d'un substrat papier-polymère biodégradable. Les pores du papier contenaient des bactéries électriques lyophilisées capables d'exporter des électrons comme sous-produit de la respiration. Pour améliorer encore les performances électriques, l'équipe a incorporé un mélange de polymères biodégradables dans le papier. Ces piles à combustible microbiennes hybrides papier-polymère présentent un rapport puissance/coût amélioré, avec une durée de conservation d'environ quatre semaines sans nécessiter de conditionnement ou de micro-organismes supplémentaires. La technologie est en cours de dépôt de brevet et l'équipe recherche des investissements industriels pour la commercialisation. D'autres améliorations dans l'optimisation de la conception pourraient offrir plus de polyvalence dans l'utilisation de ces batteries pour de nombreuses autres applications.

Les chercheurs ont exploité des bactéries pour alimenter ces piles en papier. Seokheun Choi

Les batteries à base de Mg pourraient concurrencer le Li-ion en théorie, en raison d'une capacité de densité d'énergie plus élevée. Cependant, les batteries à base de Mg ne sont pas rechargeables, car la réaction réversible nécessite un électrolyte corrosif qui crée une barrière pour les ions Mg2+.

Pour la première fois, des scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l'énergie ont présenté un prototype de batterie rechargeable à base de Mg. Ils ont généré une interface conductrice Mg2+ artificielle sur la surface de l'anode Mg. L'interface protège la surface de l'anode Mg tout en permettant le cycle réversible d'une pile à combustible Mg/V2O5 dans un électrolyte à base de carbonate contenant de l'eau. La stratégie améliore considérablement les performances des batteries à base de Mg.

Dans une autre approche, une équipe de chercheurs du MIT, de Berkeley et du Laboratoire national d'Argonne a développé un matériau à l'état solide qui conduit les ions Mg plus rapidement, en particulier dans le cadre du chalcogénure de spinelle ternaire. Cette conception de batterie nécessite des tests et des recherches supplémentaires pour entrer dans la phase de commercialisation.

Les batteries utilisées pour les applications solaires nécessitent plusieurs caractéristiques au-delà du faible coût. La capacité et la puissance nominale des batteries solaires dépendront des caractéristiques d'énergie et de densité de puissance des batteries. De plus, des mesures telles que la profondeur de décharge, la durée de vie globale et l'efficacité de la batterie seront cruciales pour déterminer quelles chimies finissent par fonctionner pour quelles niches/applications spécifiques.

Coût vs performances vs capacité de stockage. PréScouteur

Bien qu'un grand nombre des batteries présentées ci-dessus soient en phase de développement précoce, elles pourraient offrir des alternatives peu coûteuses aux batteries lithium-ion pour les applications solaires avec une durée de vie plus longue et une large plage de températures. Les batteries Ni-Zn, Mg, Al-ion, NaS, graphite DIB, KIB, proton et eau salée pourraient toutes jouer un rôle important. Ceux-ci sont recyclables et font l'objet de nombreuses recherches visant à optimiser les chimies sans réactions secondaires indésirables. En tant que tels, ils sont très prometteurs pour le stockage d'énergie renouvelable. Par exemple, BlueSky energy a déjà commencé à utiliser des batteries à eau salée pour le stockage solaire résidentiel, avec des prix comparables aux batteries lithium-ion.

Une liste des technologies de batteries qui pourraient convenir aux applications solaires. PréScouteur

Sofiane Boukhalfa, PhD, Project Architect, PresSouter

Sofiane dirige les secteurs de la haute technologie, de l'aérospatiale et de la défense et de la finance chez PreScouter. Sofiane a obtenu son BS en science et génie des matériaux de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign et son doctorat. en science et génie des matériaux du Georgia Institute of Technology, où ses recherches se sont concentrées sur les nanotechnologies et le stockage de l'énergie. Depuis l'obtention de son diplôme de Georgia Tech, il a travaillé comme consultant en technologies émergentes et en stratégie commerciale dans plusieurs entreprises et pour ses propres clients.

Navneeta Kaul, PhD, chercheuse, PreScouter

Navneeta a obtenu un doctorat en biologie de l'Université de Denver en août 2018. L'objectif de ses recherches était de comprendre le mécanisme de synthèse locale des protéines au niveau de la synapse, qui est important pour la formation de la mémoire chez les vertébrés. Elle a de l'expérience dans l'utilisation de techniques biochimiques et de biologie moléculaire telles que le clonage, la PCR, la PCR en temps réel, le transfert Western, l'immunoprécipitation, l'imagerie de cellules vivantes et de cellules fixes. Elle est passionnée par la communication des nouvelles technologies et des avancées de la recherche à un public plus large.