L'annonce récente par Tesla de Powerwall, son nouveau système de stockage de batterie résidentiel à base de lithium-ion (Li-ion), a causé tout un émoi. Il soulève même la possibilité d'aller hors-la-grille, en s'appuyant sur des panneaux solaires pour générer de l'électricité, et de le stocker avec leur propre batterie et en l'utilisant à la demande.

Pourtant, la technologie lithium-ion utilisée par Tesla n'est pas la seule proposée. En fait, chacune des différentes technologies de batterie a ses propres forces et faiblesses, et certaines pourraient même être supérieures à lithium-ion pour les installations à domicile. Voici un aperçu rapide des technologies de batteries actuelles, et certaines sont en cours de développement.

Alimentation par batterie

Toutes les batteries rechargeables se composent de deux électrodes séparé par un électrolyte (voir schéma ci-dessous). Deux réactions chimiques réversibles différentes se produisent aux deux électrodes. Pendant la charge, une "espèce active" - ​​c'est-à-dire une molécule chargée, comme les ions lithium pour les batteries Li-ion - est stockée dans le anode. Pendant la décharge, cela migre vers le cathode. La réaction chimique se produit à un défaillances qui peut être utilisé pour alimenter un circuit externe.

Chaque type de technologie de batterie peut être jugé sur un certain nombre de critères, tels que:

• Recyclabilité, qui est le nombre de fois qu'il peut être chargé et déchargé

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• Densité énergétique, qui est une mesure de l'énergie stockée par unité de masse, mesurée en wattheures (une mesure représentant un watt de puissance produite sur une heure) par kilogramme (Wh / kg)

• Densité spécifique, qui est l'énergie stockée par unité de volume, mesurée en Watt-heure par litre (Wh / l).

Quelle technologie est le mieux adapté pour une application particulière dépend des exigences de ce rôle.

Plomb

La batterie rechargeable d'origine est constituée d'acide sulfurique concentré comme électrolyte (H?SO?), et de plomb (Pb) et de dioxyde de plomb (PbO?) sur l'anode et la cathode, qui sont tous deux convertis en sulfate de plomb pendant la charge et la décharge.

Les batteries au plomb sont encore utilisées dans les automobiles, les caravanes et dans certaines grilles de relais électriques. Ils ont une recyclabilité très élevée, donc une longue durée de vie. Ceci est aidé par une utilisation de courte durée et une charge constante - c'est-à-dire en gardant toujours la batterie à près de 100% de charge - comme cela se produit dans une automobile. Inversement, une charge et une décharge lentes réduisent considérablement la durée de vie de la batterie au plomb.

Bien que le plomb est toxique et l'acide sulfurique est corrosif, la batterie est très robuste et présente rarement un danger pour l'utilisateur. Cependant, si elle est utilisée dans une installation résidentielle, la plus grande taille et le volume des matériaux nécessaires permettra également d'augmenter les risques.

Le Tesla Powerwall Li-ion est disponible en versions 7 kilowattheures (kWh) ou 10kWh. À titre de comparaison, nous verrons quelle taille de batterie serait nécessaire pour alimenter un ménage de quatre personnes qui consomme 20kWh par jour, ce qui est approximativement le moyenne nationale pour ces maisons.

Les batteries au plomb ont une densité énergétique de 30 à 40Wh / kg et 60 à 70Wh / l. Cela signifie qu'un système 20kWh va peser 450 à 600kg et prendre 0.28 à 0.33 mètres cubes d'espace (sans tenir compte de la taille ou du poids du boîtier de la cellule et des autres équipements). Ce volume est gérable pour la plupart des ménages - il serait à peu près dans une boîte 1 x 1 x 0.3 mètres - mais le poids signifie qu'il doit être stationnaire.

Lithium-ion

La première batterie rechargeable actuelle est basée sur le mouvement des ions lithium (Li) entre une anode en carbone poreuse et une cathode en oxyde de Li-métal. La composition de la cathode a un effet important sur les performances et la stabilité de la batterie.

Lecture lithium-cobalt-oxyde présente une capacité de charge supérieure. Cependant, il est plus susceptible de se décomposer que des alternatives, comme le lithium-titante ou le lithium-fer-phosphate, bien que ceux-ci aient une capacité de charge plus faible.

Une cause fréquente de défauts est le gonflement de la cathode lorsque les ions Li sont insérés dans sa structure avec le placage de l'anode avec du lithium métallique, qui peut devenir explosif. La chance d'une ventilation peut être réduite en limitant le taux de charge / décharge, mais les cas de batteries d'ordinateurs portables ou de téléphone exploser / prendre feu sont pas rare.

La durée de vie de la batterie dépend également fortement de la composition de l'anode, de la cathode et de l'électrolyte. En général, les durées de vie du Li-ion sont supérieures à celles des batteries au plomb, Tesla ayant une durée de vie de 15 (Cycles 5,000, à un cycle par jour) pour son 10 kWh Powerwall, basé sur une électrode lithium-manganèse-cobalt.

Le 10kWh Tesla Powerwall pèse 100kg et a des dimensions de 1.3 x 0.86 x 0.18 mètres. Donc, pour un ménage de quatre personnes en moyenne, il faudra deux unités connectées en série, à venir à un poids total de 200kg et 1.3 x 1.72 x 0.18 mètres ou 0.4 mètres cubes, ce qui est plus léger que le plomb-acide, mais prend plus de place.

Ces valeurs sont égales à 100Wh / kg et 50Wh / l, qui sont inférieures à celles indiquées pour les batteries au cobalt-oxyde de lithium (150-250Wh / kg et 250-360Wh / l), mais dans la plage associée à la durée de vie plus sûre et plus longue. -titanate (90Wh / kg) et phosphate de fer-Li (80 à 120Wh / kg).

Améliorations futures batteries au lithium

Les futures technologies de batteries pourraient encore améliorer ces chiffres. Les laboratoires de recherche du monde entier travaillent à améliorer l'énergie spécifique, la durée de vie et la sécurité des batteries à base de lithium.

Les principaux domaines de recherche comprennent la modification de la composition des cathodes, comme le travail avec lithium-fer-phosphate or lithium-manganèse-cobalt, où différents rapports ou structures chimiques des matériaux peuvent affecter considérablement les performances.

La modification de l'électrolyte, comme l'utilisation de liquides organiques ou ioniques, peut améliorer l'énergie spécifique, bien qu'elle puisse être prohibitive et nécessite une fabrication plus contrôlée, comme dans un environnement sans poussière ou à humidité contrôlée / restreinte.

L'utilisation de nanomatériaux, sous la forme d'analogues de carbone nanométriques (graphène et nanotubes de carbone) ou nanoparticules, pourrait améliorer à la fois la cathode et l'anode. Dans l'anode, des nanotubes de graphène ou de carbone fortement conducteurs et forts peuvent remplacer le matériau actuel, qui est du graphite ou un mélange de carbone et de graphite poreux activé.

Graphène et des nanotubes de carbone présentent une surface spécifique élevée, une conductivité plus élevée et une stabilité mécanique supérieure à celle du charbon actif et du graphite. La composition exacte de la plupart des anodes et cathodes sont actuellement un secret commercial, mais les niveaux de production commerciale des nanotubes de carbone allusion au fait que la plupart des batteries de téléphones portables et ont actuellement des nanotubes de carbone dans le cadre de leurs électrodes.

Les batteries de laboratoire ont montré une capacité de stockage incroyable, en particulier pour l'énergie spécifique (Wh / kg). Mais souvent, les matériaux sont chers ou le processus est difficile à mettre à l'échelle des niveaux industriels. Avec une réduction supplémentaire du coût des matériaux et une simplification plus poussée de la synthèse, il ne fait aucun doute que l'utilisation de nanomatériaux continuera d'améliorer la capacité, la durée de vie et la sécurité des batteries à base de lithium.

Lithium-air et Lithium-soufre

Lithium-soufre et lithium-air les batteries sont des conceptions alternatives avec un principe sous-jacent similaire de mouvement Li-ion entre deux électrodes, avec des capacités théoriques beaucoup plus élevées.

Dans les deux cas, l'anode est un mince ruban de lithium tandis que la cathode est du Li?O? en contact avec l'air dans les batteries Li-air et le soufre actif dans les batteries Li-S. Capacités maximales prévues sont 320Wh / kg pour Li-ion, 500Wh / kg pour Li-S et 1,000Wh / kg pour Li-air.

Les énergies spécifiques sont liées au poids plus léger du lithium sur l'anode et la cathode (remplaçant le graphite / carbone et les oxydes de métaux de transition) et au redox potentiel entre les électrodes.

Avec l'anode dans ces batteries étant le lithium métal, la grande quantité de lithium requise pour une batterie résidentielle 20kWh (18kg pour Li-air et 36kg pour Li-S) peut limiter leur utilisation à des appareils plus petits dans le court-moyen terme.

Sodium-ion et magnésium-ion

Lithium a le numéro atomique de 3 et se trouve dans la rangée 1 du tableau périodique. Directement en dessous est le sodium (Na, numéro atomique 11).

Les batteries Na-ion sont considérées comme alternatives viables à Li-ion, principalement en raison de l'abondance relative de sodium. La cathode est constituée d'oxyde de métal Na, tel que le phosphate de sodium et de fer, tandis que l'anode est du carbone poreux. En raison de la taille des ions Na, le graphite ne peut pas être utilisé dans l'anode et les nanomatériaux de carbone sont étudiés comme matériaux d'anode. De plus, la masse de sodium est supérieure à Li, de sorte que la capacité de charge par unité de masse et de volume est généralement inférieure.

Le magnésium se trouve à droite du sodium dans le tableau périodique (Mg, numéro atomique 12) dans la rangée 2, ce qui signifie qu'il peut exister en solution sous forme de Mg² ? (par rapport à Li¹? et Na¹?). Avec une charge double de Na, Mg est capable de produire deux fois plus d’énergie électrique pour un volume similaire.

La batterie Mg-ion est constituée d'une anode Mg-ruban et d'une cathode Mg-oxyde métallique. maximum prévu énergie spécifique de 400Wh/kg. Le goulot d'étranglement actuel de la recherche est-il la double charge sur le Mg² ? le rend plus lent à se déplacer dans l’électrolyte, ralentissant ainsi le taux de charge.

Batteries de flux

Une batterie d'écoulement se compose de deux réservoirs remplis d'électrolyte séparés par un membrane d'échange de protons, qui permet l'écoulement des électrons et des ions hydrogène, mais limite le mélange de l'électrolyte dans les réservoirs de stockage. Des exemples de ceux-ci comprennent le vanadium-vanadium avec du sulfate ou du bromure, du zinc-brome et du brome-hydrogène.

Les batteries à flux de vanadium ont de très longues durées de vie, le système étant très stable. Ils peuvent être mis à l'échelle presque indéfiniment, mais nécessitent une pompe pour faire circuler l'électrolyte autour du réservoir de stockage. Cela les rend immobiles.

Les batteries à écoulement de vanadium ont des énergies spécifiques de l'ordre de 10-20Wh / kg et une densité d'énergie de 15-25Wh / l. Cela signifie que pour alimenter un ménage 20kWh, vous avez besoin d'une batterie avec une masse de 900-1800Kg, qui prendra 0.8-1.33m³.

Avec une haute fiabilité mais une masse élevée, la batterie à circulation au vanadium est plus adaptée aux grandes applications telles que les petites centrales électriques que l'utilisation résidentielle.

À court terme, il est probable que les batteries Li-ion continueront d'être améliorées et pourraient même atteindre 320Wh / kg. Les technologies futures ont la capacité de fournir une énergie spécifique et / ou une densité énergétique encore plus élevées, mais elles devraient entrer en premier sur le marché dans les appareils plus petits avant de passer au stockage d'énergie résidentiel.

A propos de l'auteur

Cameron Shearer est chercheur associé en sciences physiques à l'Université Flinders. Il étudie actuellement l'application des nanomatériaux dans les cellules solaires et les batteries.

Cet article a été publié initialement le The Conversation. Lis le article original.