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 donnée. Aujourd'hui, en raison de leur forte exploitation des carburants fossiles, les plus importantes économies mondiales produisent encore d'énormes quantités de CO2 (Figure 1).
Dans la recherche constante de sources d'énergie plus vertes, les batteries lithium-ion et les cellules de carburant à l'hydrogène sont deux technologies qui font l'objet de multiples recherches et suscitent un intérêt croissant dans le public. Les secteurs des batteries lithium-ion et des cellules de carburant à l'hydrogène devraient représenter respectivement environ 117 et 260 milliards de dollars au cours des dix prochaines années.
Un pilote clé de l'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 qui utilisent des systèmes réversibles. Ces deux technologies devraient jouer des rôles clés dans la décarbonisation des ressources 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 cellules de carburant à l'hydrogène s'est concentrée 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 utilisation de l'énergie et nous permettre d'effectuer une transition vers un avenir plus vert, ces recherches seront essentielles.
Batteries lithium-ion vs cellules de carburant à l'hydrogène : quelle technologie est la plus prometteuse ?
Au premier abord, il peut être tentant d'affirmer que les cellules de carburant à l'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 qui utilisent des batteries lithium-ion. Toutefois, les cellules de carburant à l'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 environ trois fois plus de perte d'énergie qu'avec l'utilisation de 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 des coûts et des avantages plus larges de ces technologies. Notre recherche dans la Collection de contenus CAS nous permet de plonger sous la surface et d'accéder à une compréhension plus approfondie de la manière dont les batteries lithium-ion et les cellules de carburant à hydrogène sont utilisées aujourd'hui et pourraient être utilisées 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'augmentation explosive 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 les autres produits électroniques grand public, les déchets énergétiques et l'utilisation de 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 concentrée sur 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 fluctuations 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 cellules de carburant à hydrogène
Même si les coûts des cellules de carburant à hydrogène sont élevés, en grande partie en raison de l'utilisation de platine, le défi majeur tient à la difficulté du stockage (et du transport) du H2. En fait, le succès du H2 en tant que carburant grand public dépend directement de l'identification de matériaux robustes de stockage du H2 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 traiter des problèmes contemporains de pollution, de déchets et de pénurie de réserves minérales associés aux batteries li-ion. 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 de composants des batteries lithium-ion jusqu'alors moins étudiés (ce qui suggère un point de vue émergent et 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 de la cathode aux fins de reconditionnement et de réutilisation dans des batteries neuves, suscite aussi un intérêt croissant (Figure 4) et devrait permettre des coûts d'énergie et de réactifs moindres par rapport à ceux d'autres méthodes de recyclage.
Tendances clés de la recherche : cellules de carburant à hydrogène
On a constaté une augmentation régulière du volume de brevets dans le secteur des carburants 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'ammoniaque - 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, nécessaire pour extraire le H2 de son porteur (dans le cas d'une source d'ammoniaque) ou à trouver des alternatives plus économes en énergie.
Perspectives d'avenir
La Collection de contenus CAS nous a permis d'enquêter sur des tendances clés de la recherche dans les efforts constants visant à exploiter le potentiel des batteries lithium-ion et des cellules de carburant à hydrogène, deux technologies clés qui pourraient contribuer à transformer l'utilisation mondiale de l'énergie vers un avenir plus vert.
De plus, les recherches semblent se concentrer 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 cellules de carburant à hydrogène.
Reportez-vous à nos livres blancs consacrés au recyclage des batteries lithium-ion et aux cellules de carburant 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.