Ces 20 dernières années, la chimie des batteries lithium-ion (Li-ion) est devenue le choix privilégié pour de nombreuses applications rechargeables allant des smartphones aux véhicules électriques. Pourtant, toutes les batteries Li-ion ne se valent pas. Et quand il s'agit de solutions vertes et écologiques, la batterie LiFePO (LFP) gagne haut la main.
Pourquoi la technologie Li-ion l'emporte-t-elle sur d'autres solutions chimiques pour batteries rechargeables telles que le nickel-métal-hydrure ou les vénérables accumulateurs au plomb ? Avec son poids atomique de 3, le lithium est le plus léger des métaux. Il offre le meilleur potentiel électrochimique et délivre la plus forte énergie spécifique rapportée au poids, ces deux paramètres représentant d'énormes avantages pour une batterie. Malheureusement, le lithium métallique est également instable, inflammable et potentiellement explosif lorsqu'il est exposé à l'air ou l'eau. Les chercheurs se concentrent donc depuis des années sur des batteries utilisant des composés de lithium plus stables.
Les principaux composants d'une cellule de batterie Li-ion rechargeable sont une électrode positive (cathode), une électrode négative (anode) et un électrolyte. La cathode consiste en un composé de lithium intercalé, c'est-à-dire un composé dont la structure en couches permet l'inclusion ou l'insertion réversible d'un ion lithium pendant le chargement ou le déchargement. Il existe plusieurs composés de cathode courants offrant différentes caractéristiques. L'anode est en général en graphite.
L'électrolyte liquide consiste en une solution de sels de lithium dans un solvant organique tel que le carbonate d'éthylène ou le carbonate de diméthyle. Pendant le fonctionnement, les ions lithium se déplacent de l'anode à la cathode lors du déchargement et dans la direction inverse lors du chargement. Une batterie lithium polymère (LiPo) utilise un gel polymère comme électrolyte.
La technologie lithium-ion délivre une tension nominale par cellule de 3,6 V, supérieure à celle du NiMH (1,5 V) et du plomb-acide (2 V). Elle nécessite donc moins de cellules empilées en série pour produire les tensions élevées nécessaires à des applications telles que les moteurs de traction des véhicules électriques.
LFP : le meilleur choix pour la planète
Comme son nom l'indique une batterie LFP utilise une chimie dérivée du lithium-ion et présente un grand nombre des mêmes avantages et inconvénients que les autres types de batteries lithium-ion. Toutes les batteries Li-ion nécessitent de l'énergie pour leur fabrication, ainsi que l'extraction minière de lithium et d'autres ingrédients clés. Toutefois, lorsqu'il s'agit de protéger la planète, il existe entre elles des différences importantes.
Des cathodes couramment utilisées telles que l'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (« NMC ») où l'oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2), nécessitent des matériaux, nickel et cobalt, à la fois coûteux et soumis aux capacités d'approvisionnement. L'extraction du cobalt continue de soulever des inquiétudes quant aux droits humains, notamment en matière de sécurité dans les mines et de recours au travail des enfants. L'extraction du nickel pose également des problèmes environnementaux sous forme de rejet de gaz à effet de serre, de destruction des habitats et de contamination de l'air, de l'eau et des sols.
La batterie LFP utilise une technologie lithium-ferro-phosphate (LiFePO4) pour la cathode, associée à une anode en graphite avec un substrat métallique. La cathode LFP utilise des matériaux non toxiques et peu coûteux, le fer et le phosphate, qui sont à la fois abondants et bon marché.
Applications vertes pour batteries LiFePO4
Les batteries Li-ion peuvent être utilisées dans les alimentations de sauvegarde et les onduleurs, les appareils grand public comme les smartphones et les ordinateurs portables, les véhicules électriques et les solutions de stockage de l'énergie.
Dans certaines applications, les véhicules électriques, par exemple, les batteries NMC leur seront préférées en raison de leur densité d'énergie supérieure qui se traduit par une plus grande plage pour une taille donnée, ce qui constitue un besoin clé dans l'espace restreint d'un véhicule électrique.
S'agissant du stockage de l'énergie, le besoin qui connaît aujourd'hui la plus forte croissance consiste à équilibrer l'offre et la demande dans les applications d'alimentation vertes, telles que l'éolien ou le solaire, qui génèrent de l'électricité en rejetant un minimum de carbone.
L'adoption de ces énergies écologiques s'accélère rapidement. Selon BNEF, un cabinet d'études spécialisé dans les énergies vertes, le prix des modules photovoltaïques solaires a chuté de 89 % entre 2010 et 2019 et devrait encore baisser de 34 % d'ici 2030. Le résultat est une forte augmentation des installations solaires chez les particuliers et dans les réseaux. De même, les prix de l'éolien ont chuté de 70 % ces 10 dernières années. Le problème est que le vent ne souffle pas toujours et que le soleil ne brille pas tout le temps. Les installations photovoltaïques et éoliennes doivent donc s'appuyer sur des systèmes de stockage de l'énergie pour fournir une source d'électricité constante.
La densité énergétique n'est pas le plus gros souci des concepteurs de systèmes de stockage de l'énergie. Ils concentrent plutôt leur attention sur d'autres facteurs, tels que la dégradation des batteries sur le long terme. Or, celle-ci dépend de nombreux facteurs, dont la température, l'état de la charge et le profil de charge. Parmi d'autres facteurs importants, on peut citer le besoin d'entretien régulier puisqu'un grand nombre d'installations solaires et éoliennes se trouvent sur des sites distants et sont laissées sans surveillance pendant de longues périodes.
Les batteries LFP présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries plomb-acide ou aux autres technologies de batteries au lithium pour le stockage de l'énergie. Par rapport aux batteries plomb-acide, elles sont par définition stables et non combustibles, ne libèrent pas de gaz ou de fumées et ne fuient pas. Elles durent 10 fois plus longtemps que les batteries plomb-acide, ce qui se traduit par un coût total de possession (TCO) inférieur.
Le risque d'incendie est une autre préoccupation majeure, surtout dans les installations photovoltaïques résidentielles. Des incidents qui ont fait la une des journaux, tels que les incendies à bord de plusieurs Boeing Dreamliner et les images de véhicules électriques fondus, ont sensibilisé le public aux risques d'emballement thermique pouvant enflammer les batteries Li-ion. Par rapport à d'autres composés chimiques de batteries Li-ion comme le NMC, la tolérance de la solution LFP est supérieure de plus de 37 °C, ce qui représente une différence très nette en matière de sécurité. Une batterie NMC risque beaucoup plus de prendre feu qu'une batterie LFP. De même, dans des conditions de fonctionnement normales, le composé LFP conservera une température interne plus stable en cycle constant. Il est donc idéal pour le stockage d'électricité d'origine solaire.
Facilité de recyclage
La mise au rebut ou le recyclage des batteries reste un problème environnemental aigu. Plus de 3 millions de tonnes de batteries plomb-acide sont jetées chaque année. Bien que certaines soient correctement recyclées afin de récupérer le plomb et d'autres matériaux, un grand nombre finissent dans des décharges, surtout dans les pays en voie de développement. Les toxines qui se dégagent peuvent alors provoquer des incendies ou des explosions et empoisonner les réserves de nourriture et d'eau pour des générations.
La longue durée de vie des batteries au lithium utilisées pour le stockage et le transport de l'énergie signifie qu'un grand nombre d'entre elles sont toujours en cours d'utilisation. Les processus de recyclage n'en sont donc encore qu'à leurs débuts. Seulement 50 % des 180 000 tonnes de batteries Li-ion pouvant être recyclées en 2019 l'ont effectivement été, le reste finissant au rebut. À mesure que davantage de batteries Li-ion arriveront en fin de vie, le recyclage deviendra plus efficace.
Quel que soit leur type, les batteries Li-ion peuvent être recyclées pour récupérer les matériaux utilisés dans leurs électrodes, leur câblage et leur boîtier. Des batteries recyclées deviendront plus largement accessibles à mesure que le secteur atteindra sa maturité. Avec leurs électrodes en matériaux non toxiques, les batteries LiFePO4 posent beaucoup moins de risques pour l'environnement que les batteries plomb-acide ou d'autres chimies Li-ion.
Conclusion : le LFP est un choix écologique pour les batteries
Quel que soit leur type, la fabrication des batteries nécessite de l'énergie et des ressources, mais les modèles à lithium-fer-phosphate offrent plusieurs avantages sur d'autres technologies en matière de consommation des ressources et de sécurité. Utilisées en conjonction avec des systèmes de production d'énergie éolienne et solaire, elles présentent un formidable potentiel pour aider à réduire les rejets de carbone.