Les batteries mènent la charge pour le stockage de l'énergie 

Les batteries sont des dispositifs qui assurent le stockage de l'énergie et la libèrent sur demande. Alors que les batteries de tous les jours génèrent une énergie électrique par la conversion directe de l'énergie chimique, le concept du stockage d'énergie est bien illustré par la centrale de pompage-turbinage de Nant de Drance, véritable « batterie à eau ». Située dans les Alpes suisses, elle présente une capacité de stockage électrique dépassant celle de 400 000 batteries de voitures électriques.

Cette batterie à eau fonctionne à l'aide de générateurs hydroélectriques et de deux réservoirs, un supérieur et un inférieur. Pendant les pics de demande, l'eau provenant du réservoir à la plus haute altitude est libérée pour produire de l'électricité. En cas de surproduction énergétique, l'eau est pompée et stockée pour une utilisation future. 

Aussi fascinante soit elle, la batterie d'eau diffère des batteries portables utilisées communément pour alimenter des zones importantes de la vie moderne quotidienne. Les batteries classiques sont des cellules électrochimiques ou des séries de cellules qui produisent du courant électrique. 

Peu de technologies sont plus importantes dans la quête de l'industrie pour réduire les émissions de dioxyde de carbone que les batteries électrochimiques. Elles alimentent les véhicules électriques, stockent l'électricité obtenue à partir de panneaux solaires et d'éoliennes, et stabilisent le réseau électrique. Pour ces deux dernières applications, les batteries sont essentielles au développement économique des sources d'énergie renouvelables. 

Compte tenu de l'impact environnemental unique des batteries, y compris l'exploitation minière, l'élimination et l'ensemble du cycle de vie de la production nécessitent une analyse approfondie. Cela garantit que la transition énergétique ne revient pas à résoudre un ensemble de problèmes pour l'environnement tout en en créant d'autres tout aussi dommageables.

Les batteries électrochimiques sont classées en trois catégories principales : primaire, secondaire et tertiaire, avec diverses constructions cellulaires dans ces grandes catégories. L'utilisation de différents métaux et électrolytes au sein de ces catégories fournit des propriétés adaptées à diverses utilisations finales.

Également connues sous le nom de batteries à usage unique, les batteries primaires ne peuvent pas être rechargées et doivent être éliminées après usage. Elles sont souvent utilisées dans des appareils portables comme les lampes torches et d'autres grands appareils électroniques. On peut citer par exemple les cellules sèches, les piles alcalines, les piles zinc-carbone et les batteries primaires au lithium.

Les piles alcalines sont le type le plus populaire de batterie à usage unique. Catégorie la plus économique, ces piles non rechargeables maintiennent un débit de décharge constant tout au long de leur vie et offrent des performances fiables. Cependant, bien que pratiques, les piles alcalines ne sont pas écologiques du fait de leur nature jetable.

Les batteries rechargeables, également appelées batteries secondaires, peuvent être rechargées et réutilisées plusieurs fois. Contrairement aux batteries primaires conçues pour un usage unique, elles font appel à un potentiel électrique externe pour inverser la réaction chimique de décharge, permettant de multiples utilisations. Ces piles existent dans différentes configurations chimiques, notamment au plomb-acide, au nickel-cadmium (Ni-Cd), au nickel-métal hydrure (Ni-MH) et au lithium-ion (Li-ion). Les batteries rechargeables sont généralement plus chères que les batteries primaires et certaines nécessitent une manipulation appropriée pour prévenir la surchauffe, qui pourrait potentiellement provoquer un incendie ou une explosion.

Les batteries tertiaires sont les moins courantes. Contrairement aux batteries primaires et secondaires, leurs cellules sont séparées des autres composants jusqu'à peu avant l'activation. L'électrolyte est le composant le plus souvent isolé.

Les batteries de réserve éliminent efficacement la possibilité d'auto-décharge et minimisent la détérioration chimique. La plupart des batteries de réserve sont de type thermique et elles sont utilisées presque exclusivement dans les applications militaires.

La suite de cet article sera consacrée aux batteries rechargeables au lithium-ion (Li-ion), le type le plus courant.

Les batteries Li-ion sont privilégiées pour une utilisation dans une large gamme d'applications du fait de leur longue durée de vie, de leur densité énergétique élevée et de leurs caractéristiques de tension recherchées. La liste d'applications est longue, avec notamment les appareils auditifs minuscules, les téléphones cellulaires, les ordinateurs, les vélos électriques, les véhicules électriques et même le stockage d'énergie de réseau.

Les batteries Li-ion utilisent généralement différents matériaux pour l'anode (électrode négative) et la cathode (électrode positive). Tout matériau conducteur, y compris les métaux, les semi-conducteurs, les graphites ou les polymères conducteurs peut être utilisé comme électrode.

Les matériaux d'électrode positifs affectent considérablement les performances, le cycle et la vie des cellules Li-ion. L'électrolyte transporte les ions lithium chargés positivement entre l'anode et la cathode, tandis que le séparateur bloque le flux d'électrons à l'intérieur de la batterie, permettant aux ions lithium de passer.

À l'anode chargée négativement, une réaction d'oxydation se produit et libère des électrons qui se déplacent vers la partie externe du circuit. La plupart des batteries lithium-ion utilisent un mélange de graphite comme matériau anodique - une combinaison de graphite naturel extrait de la terre et de graphite synthétique, dérivé du coke de pétrole. Le mélange obtenu a une structure en couches, permettant aux ions lithium de pénétrer les couches pendant la charge et d'en sortir pendant la décharge.

La cathode est l'électrode positive d'une pile où une réaction chimique réductrice se produit. Les batteries Li-ion utilisent différents matériaux cathodiques, y compris l'oxyde de lithium-cobalt, le phosphate de fer lithié et l'oxyde de lithium-nickel manganèse cobalt. Ces matériaux peuvent accepter et rejeter de façon réversible les ions lithium dans et en dehors de leur structure cristalline pendant les cycles de charge et de décharge.

Les fabricants de batteries Li-ion doivent obtenir des minéraux de haute qualité de pureté exceptionnelle. Par conséquent, plus de la moitié des coûts de fabrication des batteries Li-ion réside dans la cathode et l'anode. L'assemblage de la cathode, du séparateur, des anodes et des capteurs de courant exige également des étapes de montage précises, comprenant le placement des couches individuelles et le conditionnement.

Les batteries Li-ion existent depuis environ 30 ans et ont connu une croissance exponentielle pendant cette période.

Cependant, d'autres compositions chimiques, telles que le plomb-acide, le Ni-Cd et le Ni-MH, existent depuis plus d'un siècle. Chacune d'elles a ses propres avantages et inconvénients, comme indiqué dans les sections suivantes.

Les batteries au plomb-acide existent depuis la fin des années 1800 et sont encore largement utilisées aujourd'hui. Ces batteries sont économiques, recyclables et ne nécessitent pas de systèmes complexes de gestion pour la maintenance. Toutefois, elles ont une faible énergie spécifique et un nombre de cycles limité par rapport à d'autres types. Les batteries au plomb-acide sont utilisées pour alimenter les fauteuils roulants, les voiturettes de golf, les éclairages de secours et les voitures avec moteur à combustion interne. En raison de la présence de plomb, une toxique connue, ils doivent être éliminés de manière professionnelle à la fin de leur vie utile.

Les batteries Ni-Cd sont constituées d'électrodes métalliques en hydroxyde de nickel, de cadmium et d'une électrolyte d'hydroxyde de potassium alcalin. L'un de leurs principaux avantages est le potentiel de recharge rapide, mais elles présentent également l'inconvénient d'un taux d'auto-décharge élevé. En outre, le cadmium, comme le plomb, est toxique.

Les batteries Ni-MH offrent des améliorations progressives par rapport au Ni-Cd, y compris une augmentation de 30 % de la densité de charge par volume et une auto-décharge beaucoup plus lente. Toutefois, leur recharge est plus longue et elles sont particulièrement sujettes à la dégradation de la capacité avec une recharge répétée.

Par rapport aux autres compositions chimiques de batteries secondaires, les batteries Li-ion sont une alternative rechargeable moderne. Elles présentent une combinaison inégalée de densité énergétique et de puissance volumique, ainsi qu'un rapport poids-énergie supérieur aux trois types précédents. Cependant, les batteries Li-ion sont extrêmement inflammables, ce qui nécessite un circuit de protection et une manipulation prudente.

Les nouvelles générations de batteries Li-ion avancées sont attendues à un horizon proche. Par exemple, les batteries lithium-soufre, où l'anode au lithium est consommée et le soufre est transformé en divers composés chimiques. Les batteries à semi-conducteurs détiennent également un potentiel, mais ce concept n'a pas encore été assez développé par les laboratoires pour être viable commercialement.

Dans le contexte actuel de grande transition énergétique, l'avenir des batteries nous impacte tous. Cela comprend les matériaux utilisés, la provenance et l'exploitation des métaux et comment ces minéraux sont éliminés ou, dans l'idéal, réutilisés. Le développement durable de la batterie doit prendre en compte la criticité des matières premières et accorder une réflexion méritée à l'approvisionnement, à l'élimination et à la réutilisation éventuelle de ces minéraux.