Les batteries au lithium font partie intégrante de nos vies depuis des décennies et sont nécessaires pour divers appareils électroniques. Mais pourquoi les batteries au lithium sont-elles devenues si populaires et sont-elles de meilleures alternatives? Qu'est-ce qui pourrait un jour remplacer complètement les batteries au lithium ?
Que sont les batteries au lithium?
Les batteries au lithium (batteries lithium-ion) sont le type de batterie le plus courant aujourd'hui. L'idée des batteries au lithium a été proposée pour la première fois en 1976 par Michael Stanley Whittingham, un chimiste britannique. Les batteries au lithium sont devenues disponibles dans le commerce à grande échelle quelques années plus tard, en 1991, lorsqu'elles sont entrées en production de masse.
Une batterie au lithium peut prendre de nombreuses formes, les variantes les plus notables comprenant le lithium phosphate de fer, oxyde de lithium cobalt, oxyde de lithium manganèse et lithium nickel manganèse cobalt oxyde. Ces batteries contiennent de petites cellules de puissance, chacune composée d'une électrode positive (cathode), d'une électrode négative (anode) et d'un électrolyte.
Dans la cellule, les ions lithium se déplacent entre les électrodes positives et négatives, l'électrolyte agissant comme vecteur de mouvement. Les ions lithium (Li+) ont une charge positive et sont donc attirés par l'électrode négative. Les deux électrodes sont également constituées de composants clés. Dans le cas d'une batterie au lithium-oxyde de cobalt typique, la cathode est constituée d'oxyde de lithium-cobalt, tandis que l'anode est généralement constituée d'un composé à base de carbone appelé graphite.
La cathode cédera certains de ses ions lithium positifs, qui se rendront ensuite à l'anode à travers l'électrolyte, libérant de l'énergie que la batterie utilisera pour sa puissance de sortie. Ce processus simple et rapide est désormais utilisé par des milliards de personnes dans le monde pour alimenter leurs appareils.
De nombreuses marques de batteries lithium-ion sont à usage unique. Bien qu'ils puissent alimenter un appareil pendant des semaines, des mois, voire des années, il doit être jeté et remplacé une fois la batterie épuisée. Cependant, piles rechargeables au lithium sont maintenant très populaires, car ils peuvent faire économiser de l'argent aux utilisateurs et produire moins de déchets.
Mais pourquoi, exactement, les batteries au lithium sont-elles le premier choix? Qu'est-ce qui les rend si attrayants pour les fabricants et les consommateurs ?
Pourquoi utilisons-nous des batteries au lithium?
Nous utilisons principalement des batteries au lithium en raison de leur longue durée de vie par rapport aux autres types de batteries. Les fabricants veulent produire et vendre des batteries qui délivrent de l'énergie pendant quelques jours tout en restant légères et compactes. Par ailleurs, selon la Institut de l'énergie propre, Les batteries lithium-ion ont une très faible autodécharge d'environ 1 à 2 % par mois, ce qui signifie qu'elles perdent un pourcentage inférieur de leur capacité énergétique globale à chaque utilisation.
Les batteries lithium-ion peuvent produire de l'énergie via un processus chimique simple, ce qui en fait une option très intéressante pour les fabricants. De plus, la densité d'énergie des batteries lithium-ion en fait l'option la plus préférée. Une batterie lithium-ion standard a une capacité de 260-270wh/kg (wattheures par kilogramme), tandis que les batteries au plomb ne peuvent atteindre qu'une capacité de 50-100wh/kg (selon Énergie Libellule). La densité d'énergie des batteries lithium-ion est également l'une des principales raisons pour lesquelles elles sont couramment utilisé dans les véhicules électriques.
En raison de ces facteurs, les batteries au lithium sont populaires auprès du grand public et ne sont pas chères à l'achat. Alors que certaines marques ou modèles de batteries peuvent avoir un prix plus élevé, les batteries au lithium standard sont généralement assez abordables et disponibles dans des millions de magasins dans le monde.
Mais les batteries lithium-ion ne sont en aucun cas parfaites. En fait, il existe des problèmes flagrants associés à cette source d'alimentation incroyablement populaire.
Le problème des batteries au lithium
L'un des plus gros problèmes associés aux batteries lithium-ion est la quantité de déchets qu'elles créent. De nombreuses personnes choisissent de se débarrasser des batteries via les ordures ménagères une fois qu'elles sont à court d'énergie, ce qui est dommageable pour l'environnement.
Lorsque les batteries lithium-ion sont éliminées avec d'autres déchets généraux non recyclables, elles finissent dans une décharge. Une fois qu'ils atterrissent ici, leurs composants peuvent s'infiltrer et endommager gravement l'environnement environnant. Le lithium, le nickel, le cobalt et le manganèse peuvent tous poser de sérieux risques de contamination et sont tous présents dans divers types de batteries au lithium.
De plus, l'extraction du lithium pour ce type de batterie nuit également à notre planète. Le lithium peut être extrait par extraction de sel ou par évaporation, les deux processus ayant un effet néfaste sur l'environnement. La contamination, l'augmentation de la salinité de l'eau, les émissions de CO2 et la perte de biodiversité sont autant d'effets secondaires inquiétants de l'extraction du lithium.
Étant donné que le marché des batteries au lithium devrait croître de 14,6% entre 2020 et 2026 (comme indiqué par Statistique), il est probable que le processus d'extraction du lithium continuera de représenter une menace pour l'environnement. C'est aussi un préoccupation croissante dans l'industrie de la production de véhicules électriques.
Alors quelles sont les alternatives?
Les 4 meilleures alternatives de batterie au lithium
1. Batteries d'eau salée
Les océans d'eau salée couvrent les deux tiers de notre planète. Alors, comment cette ressource peut-elle être utilisée pour la production d'électricité ?
Les batteries à eau salée utilisent une solution saline concentrée pour produire de l'énergie. Les batteries à eau salée contiennent également une anode et une cathode, la solution saline jouant le rôle d'électrolyte (ou de vecteur) pour les ions sodium positifs (ions Na+). Les ions sodium se déplacent de la cathode à l'anode, produisant de l'énergie.
L'eau de mer réelle n'est pas utilisée dans les batteries à eau salée, mais des quantités massives de sel peuvent être récoltées dans l'océan et utilisées pour ces batteries. L'utilisation d'eau salée pour fabriquer des batteries pourrait être beaucoup moins dommageable pour l'environnement que les procédés d'extraction utilisés pour le lithium, le cobalt, le nickel et d'autres métaux utilisés dans les batteries.
2. Piles en verre
Les piles en verre peuvent sembler un peu inhabituelles, mais elles ont un grand potentiel. La pile en verre est une idée relativement nouvelle, conceptualisée pour la première fois par le physicien John Goodenough en 2017. Cette batterie, connue sous le nom de "batterie Goodenough", utilise du verre comme électrolyte. Alors que les électrolytes de la batterie se présentent généralement sous forme liquide, la batterie en verre est entièrement solide.
L'utilisation d'un électrolyte solide est considérablement plus sûre que les électrolytes liquides, réduisant les risques d'incendie et supprimant le risque de lixiviation dans les décharges. De plus, la batterie en verre pourrait durer plus longtemps que les batteries lithium-ion, ce qui en fait une alternative plus durable dans l'ensemble. Le sodium est également utilisé dans la batterie en verre, qui, comme mentionné lors de la discussion sur les batteries à eau salée, est une ressource plus durable que les métaux de batterie traditionnels.
3. Batteries sodium-soufre
Les batteries sodium-soufre (NaS) sont une forme de batterie à l'état liquide qui utilise des anodes et des cathodes fondues. Dans ce cas, l'anode et la cathode se présentent sous une forme liquide, la première étant du sodium fondu et la seconde étant du soufre fondu. Ces batteries existent depuis les années 1960 avant l'invention de la batterie lithium-ion. Mais quel potentiel la batterie NaS a-t-elle dans notre monde ?
Un avantage majeur des batteries sodium-soufre est leur densité d'énergie plus élevée que les batteries lithium-ion. En fait, chercheurs à l'Université de Sydney a créé une batterie sodium-soufre avec quatre fois la capacité énergétique des batteries lithium-ion en 2022. De plus, les batteries sodium-soufre sont moins toxiques que les batteries lithium-ion, ce qui est une bonne nouvelle pour l'environnement.
4. Piles au chanvre
Vous ne penseriez pas que le chanvre ait le potentiel de remplacer les batteries lithium-ion, mais cette plante a une fois de plus prouvé sa polyvalence. Cependant, ces batteries sont livrées avec une mise en garde: elles utilisent toujours des métaux lourds comme le lithium pour fonctionner.
Montre éco rapporte qu'un exemple de batterie alimentée au chanvre, développée par des chercheurs en 2022, utilise du lithium et du soufre dans son processus de production d'électricité. La différence ici est que d'autres métaux lourds, comme le nickel ou le cobalt, ne sont pas utilisés, et la batterie elle-même a une performance améliorée par rapport aux variantes lithium-ion traditionnelles. En effet, le chanvre aide la cathode à prolonger sa durée de vie grâce à des cycles répétés.
Les batteries à base de chanvre sont également plus rentables et sont envisagées pour une utilisation dans les véhicules électriques. Pour en savoir plus sur les différents types de batteries EV, consultez notre pièce dédiée au sujet.
L'industrie des batteries pourrait devenir beaucoup plus verte à l'avenir
Avec des alternatives aussi prometteuses aux batteries lithium-ion déjà en préparation, il est passionnant de penser à l'avenir de l'industrie des batteries. Si de telles alternatives sont commercialisées avec succès, nous pouvons prévenir d'innombrables problèmes environnementaux et catastrophes. Dans l'ensemble, c'est un gagnant-gagnant pour les remplacements au lithium-ion !