La demande mondiale de batteries épuise l'approvisionnement en matières premières

Une maison ou un lieu de travail typique compte environ 10 batteries - téléphones portables, montres, ordinateurs portables, tablettes, consoles, appareils électroménagers, outils, haut-parleurs, vélos, scooters et plus encore. Et ils utilisent tous la même technologie lithium-ion pour l'alimentation. L'inconvénient de ces batteries est qu'elles sont chères, ont une capacité limitée et deviennent moins efficaces avec le temps. Le coût élevé est dû aux réserves mondiales limitées de leurs éléments chimiques, monopolisées par une demi-douzaine de pays miniers (Chine, Australie, Congo, Chili, Afrique du Sud et Indonésie). Les principaux ingrédients de ces batteries sont le cobalt, le vanadium, le molybdène, le nickel, le cuivre, le graphite et le manganèse, entre autres. L'augmentation de la production de véhicules électriques et la nécessité de stocker l'énergie produite par des sources renouvelables intermittentes ont aggravé le problème. Une étude du Centre commun de recherche (CCR) de la Commission européenne a conclu qu'il n'y avait tout simplement pas assez de matière première pour autant de batteries.

Selon le Fonds monétaire international (FMI), l'augmentation de la consommation jusqu'en 2050 entraînera une demande de matières premières pour batteries de 30 à 40 % supérieure aux réserves disponibles. CIC energiGUNE, un centre de recherche sur le stockage électrochimique et thermique de l'énergie financé par le gouvernement régional basque en Espagne, avertit : « Des décisions opportunes et collaboratives sont nécessaires ».

Les politiques zéro émission stimulent également la demande. Au cours des sept prochaines années, 50 millions de véhicules électriques (VE) devraient circuler sur les routes européennes, et la quasi-totalité des 270 millions de véhicules attendus sur les routes de l'UE doivent être électriques d'ici 2050.

Les véhicules électriques peuvent être le principal moteur de la demande de batterie, mais il y en a d'autres. Johan Söderbom, responsable des réseaux intelligents et du stockage chez Innoenergy, a déclaré lors de la récente réunion BatSum23 : "L'électromobilité est actuellement en tête du marché des batteries, mais la demande d'énergie stationnaire [provenant de sources d'énergie renouvelables intermittentes, telles que l'éolien et le solaire] ne doit pas être sous-estimée". L'UE prévoit que la demande de VE atteindra 1,5 térawattheure (1,5 billion de watts) dans deux décennies, et les batteries stationnaires doivent produire 80 à 160 gigawattheures.

"Le coût des systèmes stationnaires est beaucoup plus élevé par kilowattheure d'énergie stockée que pour les batteries de véhicules électriques en raison des coûts supplémentaires des éléments du système", indique le rapport du JRC. La solution est d'investir dans le développement de batteries telles que les batteries lithium ferro-phosphate (LFP), sodium (Na-ion) et vanadium redox flow (redox-RFB).

Ces nouvelles technologies de batteries réduiront la dépendance vis-à-vis des matières premières critiques. Plus de 80 % du lithium mondial provient du Chili, de l'Australie et de la Chine, et la République démocratique du Congo fournit plus de 60 % du cobalt mondial. Mais ce n'est pas la seule préoccupation. "Nous devons rendre les batteries plus intelligentes. Pour cela, nous devons améliorer des aspects particuliers tels que les capteurs de cellules et les capacités d'auto-réparation", a déclaré Robert Dominko, chercheur à l'Université de Ljubljana (Slovénie) et membre du conseil d'administration de l'initiative européenne Battery 2030+.

Le rapport du JRC note que les technologies à base de lithium-ion régneront en maître sur le marché dans un avenir prévisible et détaille les avantages et les inconvénients des alternatives viables.

Ferrophosphate de lithium (LFP). Cette technologie est moins chère, plus durable, plus sûre et ne contient pas de cobalt et de nickel coûteux. Il gagne du terrain dans la mobilité et les applications stationnaires et deviendra une source d'énergie plus importante. Cependant, sa densité énergétique (rapport capacité de stockage sur volume) est plus faible par rapport aux batteries nickel-manganèse-cobalt (NMC) et nickel-cobalt-aluminium (NCA). Leur principal inconvénient est leur faible valeur dans la chaîne de recyclage et leurs capacités de fabrication limitées dans l'UE.

Nickel-manganèse-cobalt (NMC). Il s'agit d'une batterie coûteuse qui utilise moins de cobalt. Son principal avantage est sa haute valeur de recyclage, mais il ne figure pas en bonne place dans la chaîne de production européenne. Les batteries qui utilisent moins de cobalt et plus de nickel sont largement utilisées dans l'industrie automobile.

Nickel, cobalt et aluminium (NCA). Tesla utilise largement cette batterie, qui concurrence les technologies LFP et NMC dans les applications de véhicules électriques. Il a une durée de vie plus courte que le NMC et une stabilité thermique moindre. La production européenne est minime – presque nulle – malgré sa forte valeur de recyclage.

Oxyde de lithium-titane (LTO). Ces batteries ont des éléments coûteux et une faible densité d'énergie. Mais ils sont sûrs, durent plus longtemps, se chargent plus rapidement et sont efficaces dans des conditions de température élevée. L'Europe produit actuellement des batteries LTO.

Ion sodium. Johan Söderbom pense que la prometteuse technologie sodium-ion sera essentielle pour réduire progressivement l'utilisation du lithium-ion. Selon le JRC, il est moins cher, plus sûr et n'utilise pas de matières premières critiques. Cependant, ils ont un rendement inférieur aux technologies lithium-ion conventionnelles. De nombreuses recherches se concentrent désormais sur les batteries sodium-soufre, qui ont une densité d'énergie et une puissance de sortie plus élevées, des durées de vie plus longues et une plus grande capacité de stockage.

Rédox. Les batteries à flux redox au vanadium utilisent principalement du vanadium dissous dans de l'acide sulfurique, qui est corrosif et toxique. "Le vanadium a de nombreux avantages - il est bon marché et stable. Mais une fuite de l'une de ces batteries est désagréable. Vous devez concevoir des conteneurs extrêmement durables pour elles", a déclaré Eduardo Sánchez, chercheur au CIC energiGUNE, dans une interview avec Horizon.

Les principaux composants des batteries redox-RFB sont deux liquides - l'un chargé positivement et l'autre chargé négativement. Lorsque la batterie est en cours d'utilisation, les liquides sont pompés dans une chambre, séparés par une membrane perméable. Les liquides de charges opposées échangent des électrons et créent un courant électrique. D'autres recherches sont en cours pour trouver des combinaisons chimiques avec des matériaux peu coûteux, sûrs et non critiques, tels que des solutions salines dans l'eau qui stockent les ions à base de carbone, une solution potentielle pour le stockage saisonnier de l'énergie.

État solide. Les batteries lithium-ion traditionnelles ont trois composants clés : deux électrodes solides (anode et cathode) et une électrode liquide (électrolyte). Lorsque la batterie est en cours d'utilisation, les électrons produisent de l'énergie en circulant de l'anode à la cathode. Les ions lithium positifs diffusent à travers l'électrolyte, attirés par la charge négative de la cathode. Lorsque la batterie est en charge, le processus est inversé. Le projet européen ASTRABAT vise à remplacer cet électrolyte liquide par un électrolyte solide (tel qu'un matériau céramique) ou un gel pour obtenir une plus grande densité d'énergie, sécurité et agilité de fabrication.

Sophie Mailley, coordinatrice d'ASTRABAT, déclare : "Il y a encore un manque d'innovation dans ce domaine… Les batteries à semi-conducteurs au lithium existent déjà, mais elles utilisent un gel comme électrolyte et ne fonctionnent bien qu'à des températures d'environ 60 °C [140°F], ce qui ne convient pas à de nombreuses applications."

Parmi les autres batteries en développement, citons les batteries lithium-ion avec des anodes riches en silicium que Mercedes-Benz commencera à utiliser en 2025, les batteries lithium-métal sur lesquelles Volkswagen parie, et les batteries lithium-soufre ou lithium-air qui utilisent l'oxydation du lithium à l'anode et la réduction de l'oxygène à la cathode pour produire de l'électricité.

Tous ces efforts de R&D reposent sur la conviction que les batteries les plus connues, les moins chères et les plus matures utilisées aujourd'hui pour le démarrage des véhicules thermiques ou comme systèmes auxiliaires "ne peuvent pas conserver leur position de leader sur le marché avec une mobilité électrique en plein essor", selon le rapport JCR.

Un autre aspect essentiel pour assurer la disponibilité future des batteries est le recyclage, qui pourrait réduire l'extraction de lithium, de cobalt et de nickel de 25 à 35 % en 15 ans, selon un rapport de l'Institute for Sustainable Futures de l'Université de technologie de Sydney (Australie). Dans le monde, 600 000 tonnes de batteries lithium-ion sont actuellement recyclées, ce qui devrait dépasser 1,6 million de tonnes d'ici 2030.

Mais le recyclage des batteries et de leurs métaux est difficile et coûteux. "Une batterie de véhicule électrique est une technologie très complexe avec de nombreux composants différents - donc une installation de recyclage va être très compliquée. À long terme, cela va être important, mais à court terme, il y a du chemin à faire", a déclaré Michael McKibben, géologue à l'Université de Californie, dans une interview avec Knowable.

Selon une étude publiée dans ScienceDirect, le coût du recyclage du lithium des batteries est cinq fois plus élevé que celui du lithium extrait des mines. De plus, certains procédés de recyclage, comme la fusion des dispositifs d'extraction des métaux, consomment beaucoup d'énergie, émettent des gaz toxiques et ne parviennent pas à récupérer le lithium tant convoité. Des recherches sur des processus plus efficaces sont en cours.

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