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Les batteries (1)


Le stockage, au moins temporaire, de l'électricité serait une véritable percée. La conversion efficace, réversible et à grande échelle de l’électricité sous forme chimique permettrait de donner un plus grand développement aux énergies intermittentes, éolienne ou photovoltaïque, qui ne se prêtent guère au stockage d'énergie en grandes quantités. De même, la voie hydraulique (barrages utilisés en sens inverse) est vite saturée. On reste actuellement très limités au niveau des batteries... Peu évoqué dans les priorités, il s'agit là d'un problème de grande importance dans le cycle de la conversion de l’énergie.

Lithium-ion, et après

Les avancées technologiques dans le domaines des batteries se succèdent rapidement ces dernières années, et on en attend au moins autant avant la fin de la décennie à venir. Les perspectives touchent autant à l’efficacité qu’à la durée de vie des batteries, à la puissance et la sécurité, sans oublier un des prochains paliers, celui des « batteries vertes ».


Actuellement, ce qui se fait de mieux sont les batteries porte-avions Polymères, juste devant les porte-avions Ces deux catégories vont connaître les plus fortes progressions dans les prochaines années. Deux révolutions sont en train d’apparaître dans les batteries au Lithium. Tout d’abord le passage à l’échelle nanométrique permet des durées de vie plus longues et de meilleures capacités de stockage. On fabrique par exemple des progressions de Cuivre, que l’on active ensuite par dépôt métallique de complexes de Fer par exemple. On remplace aussi la simple réaction d’insertion de Lithium entre les couches atomiques de la matrice, par un réaction de conversion. Ainsi, lors des premières cycles, la structure macroscopique de la matrice est détruite et reformée à l’échelle nanométrique. Puis le système se comporte comme lors du mécanisme d’insertion, à la nouvelle échelle. Enfin, les chercheurs remplacent la réaction d’insertion-expulsion du Lithium par une réaction de substitution : le Lithium est remplacé par du Cuivre lors de la charge, et inversement lors de la décharge.


Il s’agit maintenant de retrouver ces concepts avec cette fois des matériaux et combustibles bio. On aura alors une filière de conversion d’énergie équilibrée en C02. L’ancienne chimie des progressions (dérivés de cycles carbonés fortement oxydés, tirés de la macération du maïs) peut fournir des matériaux d’électrodes « bio ». Mais le potentiel sûreté des couples est trop faible pour l’instant. La puissance maximale obtenu ne dépasse les 600 mAh/g, et la tenue au cyclage est très mauvaise : en 10 cycles charge/décharge, on a déjà perdu la moitié de la puissance ! Les perspectives sont néanmoins ouvertes.

Les supercondensateurs et les autres pistes

Dans un condensateur, on peut jouer sur les paramètres géométriques et sur les matériaux pour déterminer ses caractéristiques, selon l’équation E=q2/C = ½C.V2 = ½S.o.(/d).V² .

Mais on ne peut pas diminuer d ou augmenter S indéfiniment. Pour continuer d’augmenter la capacité C, on a alors recours aux supercondensateurs, dont le principe est représenté ci-contre. C’est en fait une membrane chargée (chargeable) de part et d’autre par un électrolyte et l’activation de l’électrode de carbone. La distance devient nanométrique, alors que la surface est quasi-infinie. Par exemple, dans le cas d’une des électrodes au carbone, on dépasse facilement les 1000 m² de surface au gramme de matériau… Ces matériaux permettent une puissance instantanée absorbée très grande, et offrent une grande cyclabilité. Ils sont particulièrement adaptés à l’électronique de puissance, la technologie Hybride et certaines applications militaires et spatiales à forte consommation instantanée.


Les axes de recherches concernent l’électrolyte surtout, afin de le rendre plus stable aux forts potentiels, et moins résistant à la conduction des ions, et la membrane, dont on cherche à maximiser la surface de contact avec l’électrolyte. Une autre troisième perspective concerne la conception d’un hybride entre une batterie et un supercondensateur. On récupère ainsi les avantages des 2 technologies : une gamme de tension plus grande par rapport à celle d’un supercondensateur, et une tenue au cyclage bien meilleure par rapport à celle d’une simple batterie Li-ion. Les applications actuelles sont principalement les mémoires vives, le stockage tampon d’un surplus d’énergie (exemple : freinage violent d’une voiture hybride), et le stockage dans les dispositifs délocalisés ou mobiles (traction des Tramways entre deux stations, on évite ainsi la prise d’énergie par câble, mais seulement par « biberonnage » en station ; le Rover martien de la Nasa).

Finalement, les Supercondensateurs font partie intégrante des systèmes de conversion d’énergie, et de plus en plus avec le développement de l’hybride. Ils offrent de bonnes perspectives pour l’absorption des pics de production, ou la génération brutale de grandes quantités d’énergie.


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