L'électricité est hautement périssable. Si elle n'est pas consommée immédiatement après sa production, elle se dissipe rapidement sous forme de chaleur. La décarbonation complète du réseau électrique ne deviendra réalité qu'avec le stockage massif d'énergie solaire et éolienne, utilisable à tout moment. En effet, ces sources renouvelables ne fonctionnent pas 24h/24 et 7j/7.
Aujourd'hui, les batteries lithium-ion dominent le marché du stockage d'énergie. Cependant, elles sont coûteuses, nécessitent l'extraction de métaux rares et posent des problèmes environnementaux majeurs. Il est impératif de développer des alternatives plus durables. Les scientifiques explorent ainsi des technologies à base de sodium, magnésium ou même eau de mer. Parallèlement, l'industrie énergétique mise sur les batteries métal-air comme solution de nouvelle génération pour le stockage à grande échelle.
Inventées en 1878, les batteries métal-air utilisent l'oxygène atmosphérique comme cathode (récepteur d'électrons) et un métal bon marché comme anode (donneur d'électrons), tel que l'aluminium, le zinc ou le fer. « Ces trois métaux dominent les recherches en batteries métal-air », explique Yet-Ming Chiang, professeur d'électrochimie au Massachusetts Institute of Technology (MIT).
En 1932, les piles zinc-air ont vu le jour, utilisées depuis dans les prothèses auditives. Dans les années 1960, la NASA et GTE Labs ont tenté de développer des batteries fer-air pour l'espace, sans succès. Pourtant, des chercheurs persévèrent.
Théoriquement supérieures aux lithium-ion en densité énergétique depuis plus de 60 ans, les batteries métal-air peinent à concrétiser ce potentiel en pratique.
Dans une batterie lithium-ion, les ions lithium circulent simplement entre les électrodes lors de la charge et décharge.
Avec l'air, le processus est plus complexe, surtout pour la recharge. L'oxygène réagit avec le métal, formant un composé qui libère de l'énergie via l'électrolyse. Mais la réaction est souvent irréversible : le flux constant d'oxygène corrode la batterie même au repos, limitant sa durée de vie.
De plus, leur densité énergétique (wattheures par kilogramme) reste modeste. « Les lithium-ion atteignent 100 Wh/kg, contre 40 Wh/kg pour le fer-air, avec une puissance limitée », note Chiang dans Popular Science.
Cependant, pour le stockage stationnaire, les batteries fer-air s'avèrent idéales. Chez Form Energy, Chiang et son équipe développent une technologie fer-air low-cost, capable de stocker l'énergie renouvelable plusieurs jours d'ici 2024.
« Même inadaptées aux véhicules électriques, les batteries fer-air peuvent être commercialisées pour le stockage réseau et atténuer le changement climatique d'ici le milieu du siècle », ajoute Chiang, directeur scientifique de Form Energy.
L'équipe de Chiang optimise le processus de « rouille inversée ». Lors de la décharge, le fer s'oxyde, perdant des électrons vers l'électrode à air. L'oxygène forme des ions hydroxyde qui réagissent avec le fer, produisant de l'hydroxyde de fer (rouille).
« En inversant le courant, on 'déroxide' la batterie : les électrons sont ajoutés ou retirés du fer selon la phase », précise Chiang. Cette batterie fournit 100 heures d'électricité propre à 20 $/kWh, contre 200 $/kWh pour le lithium-ion.
Le fer n'est pas seul : zinc-air et aluminium-air progressent aussi. À l'Université de Münster (Allemagne), un électrolyte hydrofuge évite la corrosion dans les zinc-air, permettant des cycles rechargeables.
Zinc8 Energy (Canada) commercialise déjà des batteries zinc-air à flux, testées dans un bâtiment solaire à New York. Le zinc, abondant, est recyclé via hydroxyde de potassium.
L'aluminium-air, non rechargeable, a une empreinte carbone plus élevée.
D'ici 2028, le marché mondial des batteries métal-air atteindra 1,173 milliard de dollars, boosté par le stockage d'énergie. Investisseurs et experts attendent la percée décisive.
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