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Le lithium s’épuise : quelles sont les alternatives pour nos batteries ?

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Il y a tout juste 30 ans, les téléphones portables avaient la taille d’une chaussure. Si votre téléphone actuel tient dans votre poche, c’est en grande partie grâce à sa batterie au lithium : un petit pack qui assure une journée complète de fonctionnement. Croyez-le ou non, il n’y a pas beaucoup de différence entre ces piles et la pile à disque cuivre-zinc inventée par Alessandro Volta en 1799.

Toutes les piles chimiques sont constituées d’une électrode négative ou anode, d’où les électrons sont libérés, et d’une électrode positive ou cathode, qui les reçoit, séparées par un électrolyte. Dans le cas des batteries au lithium, l’électrode positive est constituée d’un oxyde de lithium et l’électrode négative est généralement constituée de graphite.

L’électrolyte est une solution d’un sel de lithium. Ces composants sont disposés en feuilles empilées, comme un sandwich, ou enroulés dans le cas des batteries cylindriques. Le lithium est l’élément parfait pour la fabrication de batteries : c’est le métal le plus léger et il est donc capable de stocker plus d’énergie dans un espace réduit. Mais malheureusement, le lithium est aussi relativement rare.

Pas que des avantages…

Les avantages des batteries lithium-ion par rapport à leurs prédécesseurs (batteries nickel-cadmium ou hydrure métallique) sont nombreux : elles ne présentent pas le fâcheux effet mémoire, qui empêchait de les charger à 100% après une charge partielle. Ils se déchargent aussi très lentement lorsqu’ils ne sont pas utilisés et, surtout, ils ont une densité énergétique élevée : plus d’électricité dans un plus petit emballage.

En revanche, les batteries présentent certains inconvénients. Tout d’abord, ils sont volatils. S’ils sont endommagés ou percés, ils peuvent prendre feu ou même exploser. C’est pourquoi vous ne pouvez pas les transporter dans les bagages enregistrés dans les avions.

Ils ont également besoin d’un système de contrôle pour éviter toute surcharge et il faut les empêcher de surchauffer, car cela raccourcit rapidement leur durée de vie. Précisément, un problème bien connu est que ces batteries ont une durée de vie limitée.

Après quelques années, elles commencent à perdre leur capacité à tenir une charge en raison de l’accumulation de dépôts de lithium sur les électrodes de la batterie. Ces dépôts réduisent la capacité de la batterie à stocker de l’énergie et finissent par la faire tomber en panne.

Pourtant, nous avons besoin de batteries. Outre leur utilisation dans l’électronique grand public et les appareils mobiles, les piles au lithium sont utilisées pour le stockage de l’énergie solaire ou éolienne. Ces énergies sont intermittentes, et si l’on veut parvenir à l’autoconsommation des ménages, les panneaux solaires sur les bâtiments doivent être complétés par des systèmes de stockage d’énergie.

L’autre application des batteries au lithium est celle des véhicules électriques. Les progrès réalisés ces dernières années ont permis de doter les voitures électriques actuelles de batteries d’une durée de vie de plus de dix ans et d’une puissance suffisante pour les longs trajets.

Le coût des batteries lithium-ion a diminué de 85 % depuis 2010, et devrait encore baisser de 85 % dans les dix prochaines années. L’adoption massive fait baisser les coûts de plus en plus.

Que faire lorsque le lithium vient à manquer ?

Selon le Forum économique mondial, il faudra 2 milliards de voitures électriques pour remplacer les voitures à essence actuelles afin d’éliminer les émissions de CO2 dans l’atmosphère d’ici 2050. Il y a un problème : le lithium s’épuise.

Le monde pourrait être confronté à une pénurie de lithium d’ici 2025. Les experts estiment que la demande pourrait tripler entre 2020 et 2025, ce qui signifierait que l’offre finirait par s’épuiser.

Le cobalt, autre métal utilisé dans sa fabrication, est non seulement rare, mais les gisements sont concentrés au Congo, un pays politiquement instable, où l’exploitation minière se fait dans des conditions d’exploitation.

Malgré la rareté du lithium et son coût élevé, seulement 1 % des batteries sont recyclées. Entre autres raisons, la technologie des piles change tous les deux ans, ce qui nécessite un processus de recyclage différent.

Les processus de recyclage à grande échelle, tels que le broyage et la fusion des piles pour en extraire les métaux, nécessitent de grandes quantités d’énergie et sont très polluants. Une autre option consiste à démonter les batteries et à réutiliser leurs pièces, ce qui est actuellement fait à la main et est très inefficace.

Alors que des systèmes de recyclage sont en cours de développement, des batteries alternatives qui ne dépendent pas du lithium et d’autres métaux rares sont déjà à l’étude. Si les résultats sont encore loin d’une adoption massive, ils sont les plus prometteurs :

  • Piles à l’état solide : au lieu des électrolytes liquides utilisés dans les piles actuelles, ces piles utilisent un électrolyte solide qui présente une densité énergétique plus élevée dans un espace réduit, ne présente aucun risque d’explosion ou d’incendie et est plus facile à recycler. Ils pourraient être disponibles vers 2030.
  • Les piles à hydrogène : cette technologie est déjà utilisée dans certains véhicules à hydrogène qui, au lieu de brûler le gaz, l’utilisent pour produire de l’électricité. L’inconvénient actuel n’est pas les batteries, mais la capacité à produire de l’hydrogène vert sans utiliser de combustibles fossiles.
  • Supercondensateurs en graphène : les condensateurs sont constitués de deux conducteurs séparés par un isolant et peuvent se charger et se décharger beaucoup plus efficacement qu’une batterie, en fonction des matériaux utilisés. Dans un avenir proche, les électrodes en graphène permettront d’atteindre une densité énergétique similaire à celle des batteries actuelles, sans utiliser de lithium.
  • Des batteries basées sur d’autres matériaux abondants, tels que le sel ordinaire, l’eau de mer ou le verre, sont également à l’étude. Si ces nouvelles technologies sont couronnées de succès, nous pouvons nous attendre à des batteries plus puissantes, plus petites et moins polluantes, ce qui est la clé pour réduire notre dépendance aux combustibles fossiles et les émissions de gaz à effet de serre. Le futur fonctionne avec des batteries.

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