À quand les batteries qui durent ?

1 journée max. 4 jours max. Quelques centaines de km. On est sans arrêt en train de recharger nos batteries, et on nous promet sans arrêt que "non mais là, dans 2 ans, c'est sûr, on aura une autonomie de fou". Mais c'est toujours dans 2 ans, dans 5 ans, dans 10 ans. Alors qu'est-ce qui fait que c'est si compliqué d'avoir des batteries avec une plus grande autonomie ? Je suis allée voir deux chercheurs qui travaillent sur le futur de ces batteries, pour comprendre pourquoi on n'arrête pas de nous promettre monts et merveilles sur l'autonomie des batteries, mais qu'on ne le voit jamais arriver. J'ai la réponse. Elle est décevante, mais j'ai la réponse. Les batteries, c'est assez simple dans le principe et c’est méga compliqué dans l'optimisation. C'est pour ça qu'on n'a pas encore des batteries ultra performantes… alors même qu'on peut faire une pile chez soi avec de l’eau, du sel, quelques plaques et un fil. Techniquement, j’ai fait une pile… je ne peux pas en faire grand chose à part allumer une LED, mais j’ai fait une pile. Alors je dis que c'est simple parce que en fait une pile, c'est une façon d'exploiter un phénomène naturel à notre avantage. Par exemple : la rouille. Ça se produit tout seul, sans notre intervention. Et ça, c’est une des vis que j’ai récupérées quand j’ai refait ma terrasse l’année dernière.. donc vous voyez, il était temps de la changer cette terrasse. Et là y’en a pas mal, de la rouille. Ce qui s’est passé, je suis sûre que vous le savez, c’est que le fer de la vis a été exposé à l'air et à l'humidité. Un petit peu d’humidité. [Sous des kilomètres de neige] Un petit peu plus d’humidité. Et ce cocktail-là, ça nous fait de la rouille. Ça a l’air de rien, mais cette rouille-là, c’est le même type de réaction que celui qu’on essaie d’exploiter avec les batteries. Mais pour le voir, il faut l’écrire de façon un tout petit peu plus rigoureuse. Donc le fer, c’est Fe, l’air c’est O₂, l’humidité c’est H₂O. Et ça nous donne de la rouille. Là j’ajoute des chiffres pour équilibrer la réaction chimiquement. Je les mets pour que l'équation soit juste mais vous pouvez les ignorer, on n’en a pas vraiment besoin dans la démonstration. Mais quand on a écrit ça, c’est comme si on avait sauté à la conclusion. Parce que si on regarde ce qu'il s'est passé chimiquement étape par étape… On se rendra compte que pour que cette réaction se produise, il a fallu qu’il y ait des échanges d’électrons, et notamment que le fer se fasse piquer des électrons par l'air humide. Il y a des électrons qui se déplacent. C’est la définition même de l’électricité. Il n’y a “plus qu’à” trouver un moyen de canaliser cet échange d’électrons pour qu’il ait lieu dans un fil électrique, qui sera relié à un téléphone, une ampoule, peu importe. C’est quelque chose que je n’avais vraiment pas réalisé quand j’étais à l’école et que j’apprenais les piles. Mais fabriquer une pile, c’est l’art d’exploiter une réaction chimique (oxydo-réduction de son petit nom) qui se produit entre plein de couples de matériaux naturellement et de profiter de l'échange d'électrons naturel pour nos besoins à nous. Pour ça, il faut imposer où vont se produire chaque partie des sous-étapes de la réaction chimique. Notamment, on veut séparer, géographiquement parlant, là où se font les échanges d'électrons qui nous intéressent et là où se font les échanges d'ions. Oui parce que j’en n’ai pas vraiment parlé, mais on ne peut pas avoir un flot d’électrons (celui qui nous intéresse) sans avoir un flot d’ions aussi. Et eux aussi, il faut bien les canaliser aussi. On ne peut pas avoir l’un sans l’autre. Malheureusement. Ça, vous l’avez vu, c’est une pile très basique. Vous la connaissez, vous l’avez faite à l’école. Il n’y a que 3 ingrédients : deux électrodes qui sont les matériaux qui vont réagir entre eux quand ils sont en contact (comme le fer avec l’air humide, sauf que là, c’est du cuivre et du zinc), un liquide qui s’appelle l’électrolyte (qui va faire le contact entre les deux), et bien sûr, de quoi brancher le tout à un circuit électrique. Le fil électrique, c'est lui qui s'occupe de la partie des échanges d'électrons - donc le courant électrique qui nous intéresse. Et l’électrolyte, c'est lui qui s'occupe des échanges d'ions. En faisant ça, on vient de séparer les deux grandes parties de la réaction chimique. Parce que les électrons ne peuvent pas passer dans l’électrolyte, et les ions ne peuvent pas passer dans le fil électrique. Donc là, on peut laisser les échanges d’ions se faire dans le verre, et profiter de l'électricité dans le fil pour allumer une lumière. Par exemple, une LED. Donc ça, c'est juste une pile toute simple que vous connaissez, que vous avez vue mille fois, et qui ne peut que se décharger. Une fois que la réaction est terminée, bah, c'est fini. Pour que cela devienne une batterie, il faut que cette réaction soit réversible. C’est ça qui la rend rechargeable. Donc pile = pas rechargeable, batterie = rechargeable. Quand on recharge, au lieu de profiter du passage des électrons, on vient forcer le déplacement des électrons en sens inverse en branchant la batterie au secteur par exemple. Celui des deux qui s’était fait piquer les électrons les récupère, et les ions eux aussi se recombinent pour se redéposer sur leur électrode d’origine. Si on reprend notre exemple de la rouille, c'est comme si on défaisait la rouille pour la remettre dans son état de vis impeccable. Ce qui, dans ce cas particulier, je ne suis pas certaine que ce soit possible… Dé-rouiller…? Peut-être. Donc vous voyez que dans le principe, c’est assez simple. Sauf que… on est exigeant. Non seulement on veut que ça se recharge, mais on veut aussi que la batterie ait une grande autonomie, soit sécuritaire, se charge rapidement, fonctionne à toutes les températures, ait un nombre de recharges infini, ne coûte pas cher, soit facile à fabriquer, ne pollue pas, ne soit pas lourde… etc. Et c'est quand on combine toutes ces contraintes et qu’on essaie de tout maximiser qu’on commence à transpirer sur la difficulté de la chose… et se dire que nos batteries classiques, mmh… Elles sont déjà super performantes, en fait ! Mais avec nos besoins énergétiques qui ne cessent d’augmenter… il faut encore faire mieux. La recherche est hyper active à ce sujet. L’enjeu, c’est d’améliorer le transfert d’ions, parce que c’est lui qui conditionne le transfert d’électrons que l’on exploite ensuite. Mais on a quand même besoin que cette partie là soit au top. Et une des nombreuses pistes, c'est de faire des batteries dites solides, c'est à dire qu'au lieu d'avoir du liquide ici, l’électrolyte, on aurait une substance solide. Ça a l'air de rien comme changement… et pourtant. Ça séduit beaucoup de fabricants. “Les batteries solides, investissement de 5,2 milliards d’euros” “Elle va permettre de réduire le poids, d’allonger l’autonomie, de limiter l’utilisation des minerais rares… C’est le Graal.” Eux, c'est Marc et Yasmine. Ils ont tous les deux fait leurs doctorats sur ces fameuses batteries solides. Il y a 3 grandes catégories de performances que tout le monde cherche à améliorer… en particulier les vendeurs de voitures électriques. Alors ces batteries solides, c’est pour demain ? Est-ce que ce sera vraiment mieux ? Le premier, c’est l’autonomie. Pour l’autonomie de la batterie, tout se joue au niveau du choix du matériau des électrodes… Alors je sais. Je viens de vous dire que la grosse innovation c'est d'avoir un électrolyte solide ; et là je vous dis que c'est les électrodes qui permettent d'avoir une meilleure autonomie… Alors, je ne suis pas folle. [Florence Forest] “Je ne suis pas folle, vous savez.” Il y a un lien. Il se trouve qu'en utilisant un électrolyte solide, on ouvre la porte à d’autres matériaux auxquels on n'avait pas accès avec un électrolyte liquide… parce que l'électrolyte, son rôle à lui c'est de laisser passer les ions sans interagir chimiquement avec les électrodes. Et avec les électrolytes liquides, il y a certains matériaux d'électrode qui sont simplement incompatibles chimiquement. Et en passant à un électrolyte solide, il y a de nouveaux matériaux d'électrode qui deviennent possibles. Donc c’est le choix des électrodes qui dépend de l'électrolyte, et l'autonomie dépend du matériau des électrodes. [Yasmine] Ce qu'on veut dans une batterie… Ça c'est le voltage On veut la plus grosse différence de potentiel, donc de voltage, entre l'électrode positive et l'électrode négative. [Viviane] Pourquoi est-ce qu'on veut la plus grande différence de voltage ? [Yasmine] C'est ce qui va nous permettre d'avoir les meilleures performances ou la meilleure densité d'énergie d'une batterie. Donc que ta batterie puisse tenir plus longtemps pour le même poids et le même volume. Avoir une grande différence de potentiel, c’est comme avoir un barrage très haut. Plus le barrage est haut, plus la pression est plus grande, c’est l’équivalent de notre différence de potentiel. Dans une batterie classique, l'écart que l'on peut avoir en général est de 4 V. [Viviane] Et du coup avec du solide, ça change? [Yasmine] Le solide, on a l'espoir de trouver des électrolytes solides de type céramique qui soient stables au-delà de 4,3 volts et qui puissent donc nous permettre d'utiliser des matériaux à plus haut potentiel. [Viviane] Pour augmenter encore cette différence entre les deux. Ça, c'est pour augmenter l'électrode positive. Mais est-ce qu'on a moyen de réduire l'électrode négative ? [Yasmine] Oui, exact. Le Saint Graal des électrodes négatives, c'est le lithium métallique, en tout cas pour les batteries au lithium. Parce que lui, il est opérationnel à zéro volts. C'est la référence. Donc avec l’électrolyte solide, on pourrait changer chacune des électrodes pour permettre une plus grande gamme. Ça reste de la théorie et une des raisons pour lesquelles on cherche à développer des batteries solides, mais la faisabilité n’est pas encore complètement établie pour tous les types de batterie solide. [Yasmine] Il y a des études plus récentes, qui ont commencé en 2019, de 2019 à 2023 qui sont en train de remettre en question cette affirmation. On commence à utiliser des techniques de caractérisation comme par exemple j'ai fait pendant ma thèse, qui prouvent que les électrolytes solides réagissent beaucoup plus tôt que ce qu'on pensait. Et que le 5 volts qui est attendu en terme de stabilité n'est pas forcément le cas pour tous les électrolytes solides. [Viviane] En tout cas, c'est ce qui est trouvé aujourd'hui. Ça ne veut pas dire qu'on ne trouvera jamais. Mais aujourd’hui ce n’est pas très prometteur sur l’objectif du 5 V. [Yasmine] C’est ça. Ok donc on a cette promesse d'améliorer l'autonomie en travaillant sur la différence de potentiel, donc sur la hauteur du barrage. Et ça c’est encore en cours de recherche. D’ailleurs pour augmenter l’autonomie, il y a aussi une autre avenue qui est d’augmenter le volume d’eau derrière le barrage tout simplement, et ça coulerait plus longtemps. Cela reviendrait à augmenter ce qu'on appelle la capacité de la batterie. Là aussi, ça se joue dans le choix de l’électrode et on a potentiellement un meilleur choix d’électrode en utilisant un électrolyte solide. Bref, que l’on augmente la capacité (le volume du barrage) ou la différence de potentiel (la hauteur du barrage), dans les deux cas, l’électrolyte solide ne fait rien à proprement parler mais il permet d’utiliser d’autres matériaux pour les électrodes qui eux, améliorent l’autonomie. Il reste encore à mettre en pratique ces concepts là. Dans la recherche publique, on n’y est pas encore. Dans la recherche privée, ben là… Mystère. Leurs départements marketing nous assurent qu’ils sont plus avancés, mais il faudra attendre de le voir pour le croire. Un autre élément majeur, c'est la vitesse de charge. Parce que on va se le dire : je pense que personne n’a envie de faire la file à la station essence ou à la station électrique, en l’occurrence, avec 3 voitures devant qui ont toutes besoin de 30 min de charge alors qu'il fait -8000C dehors. Bon là d’accord ; aujourd’hui il ne fait pas -8000C mais vous comprenez l’idée. Pour comprendre comment on essaie d’améliorer la vitesse de charge, il faut d’abord pourquoi charger une batterie classique (avec un électrolyte liquide), c’est long. Et là ça se joue à l’échelle moléculaire. C’est un peu comme une course à relais. Ça c’est les électrodes, et entre les deux, y’a l’électrolyte. On a donc un ion, que je vais représenter avec un rond, qui part de l’électrode positive pour passer son relai à un partenaire un petit peu plus loin. Puis à un autre, puis à un autre, puis à un autre, etc, jusqu’à l’arrivée. Sauf que cette course à relais se fait au milieu d’une foule d’autres ions (des contre ions de leur petit nom) qui ne participent pas du tout à la course mais qui, de par leur présence, ralentissent la performance des coureurs. Donc non seulement les coureurs n’arrivent pas à sortir de l’électrode aussi vite qu’ils le voudraien, parce qu’il y a des contre ions qui dérangent qui sont contre l’électrode. Mais en plus, ils n’arrivent pas non plus en grand nombre du côté de l’arrivée parce qu’ils sont gênés par la présence de ces contre ions qui sont partout. Il faut qu’ils se faufilent pour arriver enfin à l’électrode. C’est ça qui limite la vitesse de charge dans une batterie classique. Voilà, j’espère que mon dessin est assez clair parce que je ne sais pas ce qui m’a pris, mais je me suis mise à dessiner de la main gauche. Je suis droitière. C’est ridicule. Voici le schéma si je savais bien dessiner et que j’avais bien respecté les concentrations des ions et des contre ions. Et l’idée c’est que dans une batterie solide à base de céramique, de sulfure, d’oxydes, etc, c’est que comme la structure est solide, elle est fixe, les coureurs vont pouvoir suivre un chemin tout tracé… (qui ne sera pas forcément en ligne droite), et dans ce chemin il n’y aura pas de contre ions qui les ralentisse. C’est l’idée. Troisièmement, les dendrites. Le dernier critère dont je voulais parler est un critère de sécurité et de durabilité des batteries. Le grand défaut des batteries classiques, c'est ça. Cette vidéo, c’est Marc qui l’a enregistrée au microscope. A gauche, vous avez l’électrode positive et à droite, la négative. Et au milieu, vous avez un électrolyte liquide. Ce que vous voyez se former, ce sont des dendrites. Ce qu'il se passe, c'est que les ions, au lieu de rentrer dans l’électrode, ils se déposent au-dessus au point de former ces sortes de stalactites solides : des dendrites. Et une fois que ça s’est déposé comme ça, il y a des ions qui ne repasseront plus jamais en solution. Et là, non seulement on a perdu tout une partie de la capacité de la batterie, mais en plus, si les dendrites continuent de se former, elles peuvent même connecter les deux électrodes au point de créer un court circuit. Et c'est là que l'électrolyte solide devient notre sauveur ! [Viviane] Comment est ce qu'on empêcherait de pousser les dendrites ? [Marc] Le fait qu'il soit solide va empêcher de croître la dendrite. A priori oui c'est une condition nécessaire, mais elle n'est pas suffisante. On a plein d'exemples où en fait, la dendrite va croître à l'intérieur même de céramique. Elle va grandir on la voit à travers les particules et finalement venir percer aussi l'électrode positive. [Viviane] Ça veut dire qu'elle prend la place du solide ? [Yasmine] Non, elle va pousser entre les joints. [Marc] Elle va s’insérer dans les interstices, dans les porosités et elle va grandir quand même. Ce que Marc et Yasmine m’ont aussi expliqué, c’est que la généralisation est difficile. Il y a tellement de types de batteries solides que évidemment, on généralise un petit peu ici. Ce ne serait pas vrai avec tous les types. C’est vraiment une affaire d’optimisation comme on disait. Par contre, c’est plus facile d’éviter les dendrites avec des électrolytes solides plutôt qu’avec des liquides. Alors, vous aurez remarqué que pour chaque point, il y avait un “mais”. Ça ne marche pas encore, ou alors ça marche avec certains types de batteries, etc… Ça ne donne pas une impression de confiance, j’en suis complètement consciente… Mais rappelez-vous, on est dans la recherche de la méga optimisation. On veut le beurre, l'argent du beurre et le c**l du crémier. Donc pour optimiser tel critère, on va changer ceci, mais on perd sur telle autre performance… c’est difficile. Mais si on abandonne complètement quelques critères… ben là ça devient “facile”. Parce qu’en fait des batteries solides, ça existe déjà sur le marché. Vous en avez dans des bus qui fonctionnent en France. Mais évidemment, il y a un mais. Ces batteries-là n’ont pas encore une densité d'énergie si bonne que ça, et elles doivent fonctionner à haute température (autour de 60C) en permanence. Ce qui est facile à maintenir pour un bus qui roule toute la journée, mais complètement inaccessible pour une voiture individuelle qui ne fonctionne pas toute la journée. Donc la question, ce n’est pas : est-ce que ce genre de batterie arrivera sur le marché. Ça, la réponse est oui puisque ça existe déjà. Mais plutôt : quand est-ce qu’elles seront suffisamment optimales pour les voitures individuelles ou pour d'autres usages comme nos téléphones, des usines, que sais-je, tout en étant fabricables à grande échelle ? Gros défi, la grande échelle. Et ça… mystère. Mais ça avance quand même assez vite, parce qu’il y a beaucoup d’argent qui est injecté dans la recherche publique et dans la recherche privée, étant donné les enjeux énergétiques et climatiques que l'on vit. En parlant d'enjeu climatique… On ne peut pas aborder le sujet des batteries sans parler du fait qu'on sait que leur processus n'est pas écologique, et que leur recyclage est problématique. Alors qu’est-ce qu’il en sera pour les batteries solides ? J’ai une bonne et une mauvaise nouvelle. La mauvaise, c’est que les batteries solides qui sont pressenties pour être les premières batteries solides sur le marché, elles ne sont pas conçues avec des matériaux plus écologiques que les batteries actuelles. Mais il y a un peu plus d'espoir. [Marc] Il y a beaucoup de recherches aussi sur le procédé de fabrication pour faire des boucles dans la production, faire en sorte qu'il y ait moins d'émanations de vapeur, des choses comme ça. Il y a beaucoup de recherches là-dessus, donc c'est aussi source d'amélioration. Faut pas oublier. Alors que ce n'est pas forcément le cas avec les moteurs à essence. [Yasmine] Et le recyclage. [Marc] Et le recyclage qui est déjà compliqué. On peut imaginer : quand on a récupéré une batterie, c'est quand même pleins de matériaux différents en peu d'espace. Donc on peut déjà imaginer la complexité que ça va être de séparer tous les éléments et de finalement refaire une batterie depuis une batterie qui ne fonctionnait pas. Mais ils sont déjà… ils ont anticipé beaucoup, et il y a beaucoup de recherches là-dessus. En fait, je suis plutôt confiant. Je sais pas si toi aussi ? [Yasmine] Oui ! C’est un des axes de recherche du laboratoire. Ils font de très très belles choses. Des circuits fermés où ils utilisent tout, et ils récupèrent tout ce qu’ils utilisent. C'est impressionnant. [Marc] Ils s’y sont pris presque trop en avance parce qu’ils arrivent alors que le marché n’est pas encore là. Ça, c’est la première bonne nouvelle. Les procédés de production et de recyclage sont développés quasiment en même temps que les batteries, ce sera donc plus facile de limiter leur impact écologique. Mais évidemment, personne n'est dupe… le mieux, c’est d’utiliser des matériaux moins polluants dès le départ. Là aussi, il y a de la recherche. [Yasmine] On sait qu'il y a beaucoup d'efforts qui sont faits pour essayer de remplacer toutes les composantes qui posent problème. Par exemple, remplacer les électrolytes qui sont faits à base de solvants organiques par de l'eau ; donc biodégradable et écolo. On essaie de remplacer aussi les liants. C'est souvent des polymères à base de fluor ou autre. On remplace ça avec de la cellulose qui est faite à base de bois, donc ça aussi c'est biodégradable, etc. On essaie aussi de remplacer toute la chimie du lithium par des éléments plus abondants et moins difficiles à aller extraire, comme du sodium qui est disponible dans toutes les mers et océans de cette planète. [Marc] C'est sûr qu'à la fin une batterie, il y aura toujours un impact environnemental. Mais l'idée, c'est qu'on peut faire mieux et le réduire. Et si tu compares toujours au thermique, c'est déjà mieux. Oui, il y a encore un problème au niveau de la production, mais on fait de la recherche aussi là-dessus et c'est en train de s'améliorer.