L'électricité est hautement périssable. S'il n'est pas utilisé au moment où il est créé, il se dissipe rapidement sous forme de chaleur. La décarbonisation complète du réseau électrique ne peut devenir une réalité que lorsque de grandes quantités d'énergie solaire et éolienne peuvent être stockées et utilisées à tout moment. Après tout, nous ne pouvons pas exploiter les sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne 24h/24 et 7j/7.
À l'heure actuelle, les batteries lithium-ion représentent une part considérable du marché du stockage de l'énergie. Mais ils sont coûteux, impliquent l'extraction de métaux rares et sont loin d'être durables sur le plan environnemental. Il est crucial de trouver une alternative moins dégradante pour l'environnement et jusqu'à présent, les scientifiques analysent les remplacements des batteries lithium-ion à l'aide de matières premières telles que le sodium, le magnésium et même l'eau de mer. Mais au cours des dernières années, l'industrie de l'énergie a investi dans les batteries métal-air en tant que solution de nouvelle génération pour le stockage de l'énergie du réseau.
Les batteries métal-air ont été conçues pour la première fois en 1878. La technologie utilise l'oxygène atmosphérique comme cathode (récepteur d'électrons) et comme anode métallique (donneur d'électrons). Cette anode est constituée de métaux bon marché et abondamment disponibles tels que l'aluminium, le zinc ou le fer. "Ces trois métaux se sont hissés au sommet en termes d'utilisation dans les batteries métal-air", explique Yet-Ming Chiang, professeur d'électrochimie au Massachusetts Institute of Technology.
En 1932, les piles zinc-air étaient le premier type de pile métal-air, largement utilisé dans les prothèses auditives. Trois décennies plus tard, les scientifiques de la NASA et du GTE Lab ont tenté de développer des batteries fer-air pour les systèmes spatiaux de la NASA, mais ont finalement abandonné. Pourtant, certains chercheurs poursuivent cette technologie insaisissable.
Les chercheurs pensaient que, théoriquement, les batteries métal-air pourraient avoir une densité d'énergie plus élevée que les batteries lithium-ion pendant plus de six décennies. Pourtant, ils ont échoué à plusieurs reprises à atteindre leur plein potentiel dans le passé.
Dans une batterie lithium-ion, le processus de production d'énergie est simple. Les atomes de lithium rebondissent simplement entre deux électrodes lorsque la batterie se charge et se décharge.
Cependant, impliquer de l'air rend le processus plus délicat et ajoute un défi supplémentaire - la difficulté de recharge. L'oxygène réagit avec le métal, créant un produit chimique qui déclenche ensuite le processus d'électrolyse, déchargeant de l'énergie. Mais au lieu d'une réaction qui peut aller et venir, dans les batteries métal-air, le transfert se fait la plupart du temps dans un seul sens. Grâce au flux constant d'oxygène atmosphérique dans une batterie métal-air, une fois démarrée, la batterie peut se corroder rapidement même lorsqu'elle n'est pas utilisée et avoir une durée de vie limitée.
De plus, les wattheures par kilogramme des batteries métal-air, qui mesurent le stockage d'énergie par unité de masse de la batterie, ne sont actuellement pas exceptionnellement élevés. C'est la principale raison pour laquelle les véhicules électriques ne peuvent plus utiliser de batteries métal-air telles que les batteries fer-air, déclare Chiang à Popular Science . " Les batteries lithium-ion ont 100 wattheures par kilogramme. Mais pour le fer-air, ce n'était que 40 wattheures par kilogramme. La vitesse à laquelle l'énergie est stockée puis déchargée de la batterie est relativement faible en comparaison », dit-il.
Mais il soutient que malgré ces limitations, le stockage d'énergie stationnaire pourrait utiliser des batteries fer-air. Dans une start-up appelée Form Energy, Chiang et ses collègues ont développé une nouvelle technologie de batterie fer-air à faible coût qui fournira un stockage de plusieurs jours pour l'énergie renouvelable d'ici 2024.
"Même si cela n'a pas fonctionné pour les véhicules électriques, les batteries fer-air peuvent être développées commercialement pour le stockage de l'énergie et aider à atténuer le changement climatique d'ici le milieu du siècle", ajoute Chiang, qui est également directeur scientifique chez Form Energy.
L'équipe de Chiang a affiné le processus de « rouille inversée » dans leur technologie de batterie qui stocke et libère efficacement l'énergie. Au fur et à mesure que le fer s'oxyde chimiquement, il perd des électrons envoyés à travers le circuit externe de la batterie vers son électrode à air. L'oxygène atmosphérique devient des ions hydroxyde au niveau de l'électrode à air, puis passe à l'électrode de fer, formant de l'hydroxyde de fer, qui finit par devenir de la rouille.
"Lorsque vous inversez le courant électrique sur la batterie, cela dérouille la batterie. Selon que la batterie se décharge ou se charge, les électrons sont soit retirés du fer, soit ajoutés au fer », explique Chiang. Il affirme que la batterie peut fournir de l'électricité propre pendant 100 heures à un prix de seulement 20 $/kWh, une aubaine par rapport aux batteries lithium-ion, qui coûtent jusqu'à 200 $/kWh.
Mais le fer n'est pas le seul métal en hausse. Alors que la course au développement de batteries métal-air durables pour le stockage de l'énergie s'accélère, plusieurs entreprises et leurs chercheurs investissent dans des batteries zinc-air et aluminium-air.
Les scientifiques des matériaux de l'Université de Münster en Allemagne ont retravaillé la conception des batteries zinc-air avec un nouvel électrolyte composé d'ions hydrofuges. Dans les batteries au zinc traditionnelles, les électrolytes peuvent être caustiques avec une substance à pH élevé, ce qui les rend suffisamment corrosifs pour endommager la batterie. Les chercheurs ont surmonté ce problème en veillant à ce que les ions hydrofuges adhèrent à la cathode à air, de sorte que l'eau de l'électrolyte ne puisse pas réagir avec l'oxygène entrant. Les ions de zinc de l'anode peuvent se déplacer librement vers la cathode, où ils interagissent avec l'oxygène atmosphérique et génèrent de l'énergie à plusieurs reprises.
Alors que les chercheurs se rapprochent du développement de batteries zinc-air rechargeables, une entreprise canadienne, Zinc8 Energy, a déjà dévoilé son produit. La start-up utilise des batteries zinc-air avec un réservoir de stockage qui contient de l'hydroxyde de potassium et du zinc chargé. L'électricité du réseau divise le zincate chimique en zinc, eau et oxygène. Cela charge les particules de zinc et stocke l'électricité.
Lorsque l'électricité doit alimenter le réseau, le zinc chargé se synchronise avec l'oxygène et l'eau, libérant l'électricité stockée et produisant du zincate. Suite à cela, tout le processus recommence. Le groupe a annoncé l'introduction de ces batteries à flux zinc-air sur le marché mondial en installant leur technologie dans un immeuble résidentiel à panneaux solaires dans le Queens, à New York.
Comme le fer, le zinc est largement disponible et dispose de chaînes d'approvisionnement existantes. Un autre métal également abondant, l'aluminium, est également utilisé pour développer des batteries aluminium-air. Mais contrairement aux batteries zinc-air, les batteries aluminium-air ne peuvent pas se recharger, explique Chiang. L'empreinte carbone de la production d'aluminium est également plus élevée que celle des autres options de batterie métal-air.
D'ici 2028, le marché mondial des batteries métal-air devrait atteindre 1 173 millions de dollars, principalement pour fournir des solutions de stockage d'énergie. Mais pour l'instant, les investisseurs, les analystes du secteur et les consommateurs attendent avec impatience la prochaine grande percée.
