Depuis le milieu du XXe siècle, la concentration de gaz à effet de serre dans l'atmosphère n'a cessé d'augmenter, contribuant au réchauffement climatique continu que nous connaissons actuellement, à tel point que le changement climatique est désormais détectable dans les données météorologiques de n'importe quel jour donné. Aujourd'hui, en raison de leur forte dépendance aux combustibles fossiles, les plus importantes économies mondiales produisent encore d'énormes quantités de CO2 (Figure 1).
Dans la recherche permanente de sources d'énergie plus vertes, les batteries lithium-ion et les piles à combustible à hydrogène sont deux technologies qui font l'objet de multiples recherches et suscitent un intérêt public croissant. Les secteurs des batteries lithium-ion et des piles à combustible à hydrogène devraient atteindre respectivement environ 117 et 260 milliards de dollars au cours des dix prochaines années.
Un facteur clé d'intérêt pour les batteries lithium-ion tient à l'explosion de leurs utilisations dans les véhicules électriques ainsi que dans l'électronique grand public, entre autres applications, tandis que le H2, en tant que source d'énergie et moyen de stockage, trouve des utilisations dans le transport, l'alimentation des bâtiments en énergie et le stockage d'énergie à long terme pour les réseaux exploitant des systèmes réversibles. Ces deux technologies devraient jouer des rôles clés dans la décarbonation de la production d'électricité.
Comme l'ont montré les analyses utilisant notre Collection de contenus CAS™, une grande partie des recherches effectuées ces dix dernières années au sujet des batteries lithium-ion et des piles à combustible à hydrogène a été axée sur la résolution des défis contemporains et l'élimination des obstacles à leur utilisation. Nous aborderons ici certains de ces sujets. Si ces technologies doivent transformer notre usage de l'énergie et nous permettre d'effectuer une transition vers un avenir plus vert, ces recherches seront essentielles.
Batteries lithium-ion ou piles à combustible à hydrogène : quelle technologie est la plus prometteuse ?
Au premier abord, il peut être tentant d'affirmer que les piles à combustible à hydrogène pourraient être plus prometteuses dans le domaine des transports, l'une des applications majeures des deux technologies, en raison de leur plus forte densité de stockage de l'énergie, de leur poids plus léger et de leur encombrement moindre par rapport aux batteries lithium-ion. Les véhicules à hydrogène sont également plus rapides à recharger que ceux équipés de batteries lithium-ion. Toutefois, les piles à combustible à hydrogène ne sont pas sans inconvénients : on estime qu'environ 60 % de l'énergie du H2 est perdue dans le processus de conditionnement de l'énergie du H2, ce qui représente une déperdition d'énergie environ trois fois supérieure à celle des batteries lithium-ion.
De toute évidence cependant, les deux technologies présentent de multiples applications et les comparaisons directes sont par conséquent compliquées. En outre, ce point de vue ne tient pas compte des recherches en cours, ni de l'ensemble des coûts et des avantages de ces technologies. Notre recherche dans la Collection de contenus CAS nous permet d'approfondir notre compréhension de la manière dont les batteries lithium-ion et les piles à combustible à hydrogène sont utilisées aujourd'hui et pourraient l'être à l'avenir.
Les défis de l'utilisation des batteries lithium-ion
La fabrication et l'élimination des batteries lithium-ion ont toujours fait l'objet de préoccupations politiques et environnementales en raison de la pollution considérable qu'elles génèrent et du caractère non renouvelable du lithium et d'autres ressources clés, et cela reste très pertinent.
Face à l'explosion du nombre de voitures électriques (et de la taille des batteries) alliée à l'élimination rapide des batteries lithium-ion présentes dans les smartphones et autres produits électroniques grand public, les déchets énergétiques et la dépendance aux ressources non renouvelables prennent de l'importance. En fait, on prévoit qu'en 2040, 58 % des voitures vendues à travers le monde seront électriques, et que le total des déchets générés pourrait atteindre 8 millions de tonnes. Une grande partie des recherches sur les batteries lithium-ion s'est donc attachée à la manière de les recycler, dans le but de réduire la pollution et d'alléger la pression sur les réserves minérales.
Aujourd'hui, environ 5 % seulement des batteries lithium-ion sont recyclées dans le monde en raison de limites telles que les variations de la valeur financière des matériaux des batteries, le manque de convergence technologique dans la conception des batteries et les matériaux (ainsi que les coûts de main d'œuvre associés au recyclage), mais aussi dans les installations de recyclage, le manque de monétisation de nombreux avantages du recyclage (y compris la sécurité des matériaux et les avantages pour l'environnement) et l'absence de réglementations en matière de recyclage dans une grande partie du monde.
Les défis de l'utilisation des piles à combustible à hydrogène
Même si les coûts des piles à combustible à hydrogène sont élevés, en grande partie en raison de l'utilisation du platine, le défi majeur tient à la difficulté du stockage (et du transport) du H2. En fait, le succès du H2 en tant que combustible grand public dépend directement de l'identification de matériaux de stockage du H2 robustes et du développement d'un système avancé et sûr pour son transport.
Tendances clés de la recherche : batteries lithium-ion
Comme nous l'avons vu, le recyclage des batteries li-ion présente un intérêt majeur, car il pourrait contribuer à résoudre les problèmes contemporains de pollution, des déchets et de pénurie de réserves minérales associés à ces batteries. La croissance annuelle du volume des publications à ce sujet (32 %) dépasse largement celle des publications scientifiques globales (4 % par an), ce qui suggère un intérêt émergent (Figure 2).
Il est encourageant de noter que des efforts de recherche considérables ont été effectués au sujet des composants des batteries lithium-ion jusqu'alors moins étudiés (ce qui suggère l'émergence d'un point de vue plus holistique sur la gestion du recyclage) et du démontage (Figure 3), ce qui est préférable sur le plan environnemental, car cela optimise la quantité de matériaux recyclables. Le recyclage direct, consistant à retirer le matériau cathodique aux fins de reconditionnement et de réutilisation dans des batteries neuves, suscite aussi un intérêt croissant (Figure 4) et devrait permettre d'abaisser les coûts énergétiques et des réactifs par rapport à ceux d'autres méthodes de recyclage.
Tendances clés de la recherche : piles à combustible à hydrogène
On constate une augmentation régulière du volume de brevets dans le secteur des combustibles à H2 depuis 1997, ce qui démontre la croissance de l'intérêt mondial pour cette technologie (Figure 5). Il est encourageant de noter que le stockage du H2 est resté un sujet d'intérêt majeur au cours de la dernière décennie (Figures 6 et 7) ; le développement d'une économie de H2 dépend fortement de l'aptitude à stocker et à transporter le gaz, puisqu'il n'est pas possible d'établir une chaîne d'approvisionnement sans cette capacité.
Le stockage de l'hydrogène est suivi d'une déshydrogénation (Figure 6), laquelle s'est établie comme le deuxième domaine d'innovation majeur depuis 2012. Avec les méthodes de déshydrogénation, il est possible d'extraire le gaz H2 de porteurs de H2 liquides tels que l'ammoniac, des produits chimiques pour lesquels il existe déjà des infrastructures de stockage et de transport. Ainsi, ce sujet pourrait représenter une solution clé dans les efforts d'utilisation élargie du H2. Les recherches continues visent à augmenter l'efficacité des processus coûteux comme le procédé Haber-Bosch, nécessaires pour extraire le H2 de son porteur (dans le cas d'une source d'ammoniac), ou à trouver des alternatives plus économes en énergie.
Perspectives d'avenir
La Collection de contenus CAS nous a permis d'enquêter sur les tendances clés de la recherche dans ses efforts constants visant à exploiter le potentiel des batteries lithium-ion et des piles à combustible à hydrogène, deux technologies majeures qui pourraient contribuer à l'avenir à verdir la consommation mondiale d'énergie.
De plus, les recherches semblent mettre l'accent sur la résolution de problèmes contemporains majeurs associés à ces technologies : dans le cas des batteries lithium-ion, le recyclage fait l'objet de multiples recherches, alors que le stockage du H2 reste le sujet d'intérêt le plus important dans les travaux au sujet des piles à combustible à hydrogène.
Reportez-vous à nos livres blancs consacrés au recyclage des batteries lithium-ion et aux piles à combustible à hydrogène pour plus d'informations au sujet de l'évolution du paysage économique, politique, environnemental et de la recherche concernant ces deux technologies majeures.
