Le tout électrique : Pourquoi un avenir propre exige des voitures électriques et plus encore

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Mis à jour le Wed Mar 03 2021

Qu'est-ce que les téléphones, les réfrigérateurs et les télévisions ont en commun ? Ils utilisent de l'énergie sous forme d'électricité.

Mais certaines choses utilisent directement des combustibles fossiles comme le pétrole et le gaz. À ton avis, quelles sont les deux choses qui utilisent le plus de pétrole ou de gaz ?


Pourquoi voulons-nous rendre (presque) tout électrique ? Parce que les réacteurs nucléaires propres, les panneaux solaires et les éoliennes produisent tous de l'électricité. Pour utiliser cette électricité propre, nous devons être en mesure d'alimenter les transports et le chauffage avec de l'électricité plutôt qu'avec du pétrole ou du gaz.

En passant, transformer les émissions mobiles (par ex. des voitures) en émissions stationnaires (des centrales électriques) facilite aussi beaucoup le recours à la capture du carbone. Mais tu en sauras plus à ce sujet dans notre cours sur l'innovation industrielle !

La conversion de l'électricité en chaleur a un rendement de presque 100%[Chauffage]. La seule chose qui nous arrête est le prix incroyablement bas du gaz[Chauffage]. Nous devons donc faire en sorte que l'électricité propre soit moins chère. N'oublie pas qu'il n'y a aucun intérêt à utiliser l'électricité au lieu du gaz si l'électricité provient de combustibles fossiles[Chauffage].

Alors, qu'en est-il des transports ?

Les batteries pourraient remplacer 71% des carburants des transports !

Batteries ou kérosène

Mais qu'en est-il des voitures, des camions, des bus, etc. ? Les voitures électriques existent déjà et, avec quelques améliorations de la performance et de la durée de vie des batteries, les camions électriques sont également à notre portée. Heureusement, ce type de transport terrestre représente la majorité de toutes les émissions liées au transport.

La part des émissions liées aux transports

Améliorer la performance des batteries, ainsi que leur durée de vie et leur coût est au cœur de la transition vers les transports électriques. Si ça te semble intéressant, continue de lire ! Nous discuterons en détail du fonctionnement des batteries d’aujourd’hui, puis de la manière dont elles pourraient être améliorées.

Que sont les batteries ?

Les batteries lithium-ion

La chimie des batteries peut prendre différentes formes, mais celles-ci se composent principalement d'éléments remplissant les mêmes rôles fondamentaux :

  • Les atomes de lithium : chacun peut perdre un électron pour devenir un ion de lithium positif (c'est de là que vient le nom « batterie lithium-ion » !).
  • La cathode : un matériau qui attire le lithium (c'est le côté positif de la batterie).
  • L'anode : un matériau qui peut stocker les ions et électrons de lithium, généralement du graphite (c'est le côté négatif de la batterie).
  • Le séparateur : un mur entre la cathode et l'anode. Les ions de lithium peuvent passer à travers, mais les électrons sont bloqués.
  • L'électrolyte : le matériau dans lequel se trouvent la cathode et l'anode. Ce matériau n'a aucune charge - il n'interagit donc pas avec le reste de la batterie - et peut être liquide ou solide.

Regardons ceci plus en détail.

Comment fonctionne la charge ?

En résumé, la charge implique d'utiliser l'énergie pour forcer le lithium de la cathode positive à l'anode négative.

Sous quelle forme l'énergie est-elle stockée dans ces batteries ?


Charger une batterie lithium-ion

Quand une batterie vide est connectée à une autre source d'alimentation, un électron sera arraché à chaque atome de lithium et commencera à circuler à travers la source d'énergie de la cathode à l'anode.

Pourquoi ?


Lorsqu'un électron est arraché au lithium, il laisse derrière lui des ions de lithium chargés positivement. Ces ions positivement chargés sont attirés par l'anode maintenant chargée négativement contenant les électrons. Par conséquent, les ions circulent par le séparateur vers l'anode.

Le graphite dans l'anode agit ensuite comme du pain dans un sandwich, en maintenant séparés les ions de lithium et les électrons entre ses couches jusqu'à ce que la batterie soit déchargée. Ceci est un état instable : les ions de lithium veulent vraiment être unis avec leurs électrons.

L'anode

Pourquoi les électrons et les ions de lithium ne retournent-ils pas simplement à travers le séparateur ?


Comment fonctionne la décharge ?

Décharger une batterie lithium-ion

Lorsque l'anode et la cathode sont reliées par un câble, les ions de lithium reviennent à travers le séparateur, pendant que les électrons reprennent le chemin à travers le circuit externe. Dans la cathode, ils se recombinent et retournent à un état stable.

Quand les électrons retournent par le câble, ils créent un courant électrique. Ce courant peut être utilisé pour allumer une ampoule, ton téléphone ou d'autres appareils !

Pourquoi le lithium ?

De tous les éléments que l'on connait, le lithium est l'un des plus susceptibles de donner des électrons. Les autres matériaux sont relativement plus disposés à prendre des électrons à la place. Cela est dû en grande partie à la configuration de leurs électrons.

Pourquoi ? Les atomes sont faits d'un centre (appelé noyau) et d'électrons. Les électrons entourent le noyau en couches électroniques. Les atomes veulent que leurs couches soient « pleines ». Ils sont même prêts à partager leurs électrons avec d'autres atomes pour que cela se produise. Cette règle est au cœur du fonctionnement des batteries.

Couches électroniques du lithium et du fluor

Regarde ces deux atomes : le lithium et le fluor. Selon toi, lequel sera le plus prêt à donner un électron ?


Pour le fluor, il est plus facile d'ajouter un électron que d'en donner sept. Pour le lithium, il est plus facile d'en donner un.

Pouvons-nous améliorer les batteries ?

Comme nous l'avons dit, les voitures électriques sont déjà disponibles dans le commerce et utiles. Cependant, elles sont encore relativement chères et il est toujours bon d'avoir d'en améliorer les performances. Pour les camions, nous sommes proches d'une solution, mais il est peu probable que la technologie actuelle des batteries permettent de faire fonctionner les avions et les bateaux à l'électricité. Pourrions-nous aussi y parvenir ?

Ce que nous aimerions vraiment améliorer dans les batteries sont les aspects suivants :

Améliorer les batteries

La plupart des technologies ont une limite physique. Par exemple, les panneaux solaires commerciaux absorbent aujourd'hui 20% de la lumière du soleil qui les atteint. Théoriquement, nous pourrions être en mesure de construire des panneaux solaires qui recueillent 100% de la lumière du soleil qu'ils reçoivent, mais clairement jamais plus de 100%. Ceci est une limite théorique.

Limites théoriques

Augmenter le nombre de cycles de charge qu'une batterie supporte n'a pas une limite théorique évidente. Les batteries survivent aujourd'hui à des milliers de cycles, mais la recherche récente pourrait augmenter ce nombre de 2 à 3 fois. Des temps passionnants à venir !

Mais qu'en est-il de leur poids et de leur taille ?

Des batteries plus légères et plus petites ?

Les batteries modernes peuvent contenir environ 250 Wh d'énergie dans 1 kg de batterie. À titre de comparaison, les carburants comme le diesel ou le kérosène peuvent contenir 13 000 Wh/kg!

Batterie ou carburant liquide

Comment pouvons-nous améliorer ceci ? Commençons par des limites théoriques pour voir si un effort réaliste en vaut la peine. Nous ne pouvons pas viser plus haut que le meilleur résultat absolu, donc c'est toujours une bonne première étape !

La première chose à prendre en compte est le poids de chaque composant de la batterie :

Poids de la batterie par composant

Étape 1 : Abandonnons toutes les choses « inutiles ». Tout en dehors de la cathode et de l'anode est juste là pour aider : dans le monde réel nous en avons besoin, mais en théorie ce n'est pas le cas. Note que le poids du lithium est inclus dans le poids de la cathode et de l'anode.

Quel serait le poids restant aujourd'hui si nous ne gardions que l'anode et la cathode ? (Indice : regarde les chiffres ci-dessus)


Pouvons-nous théoriquement renoncer à l'anode ?


Nous devons recueillir le lithium quelque part, mais c'est à peu près le seul rôle de l'anode. Il existe des moyens de le faire sans anode.

Parce que nous recherchons la limite théorique , soyons extrêmement optimistes, et supposons que ces solutions fonctionnent sans modifier d'autres composants et que nous pouvons effectivement réduire le poids de l'anode à zéro. Maintenant, que reste-t-il du poids d'origine ?


Si nous pouvions construire une batterie sans pièces de support avec une anode qui ne pèse rien, nous pourrions réduire le poids des batteries à 41% de ce qu'elles pèsent aujourd'hui, ce qui nous donnerait une énergie spécifique de 250/0,41 = 609 Wh/kg.

Il ne nous reste plus que la cathode et une anode sans poids, que pouvons-nous faire d'autre ?


Quelle est la meilleure cathode possible ?

Nous voulons choisir des matériaux avec un poids minimal et une forte attraction au lithium.

Voici quelques matériaux qui sont explorés comme des options pour des cathodes plus légères, avec leur énergie spécifique maximale théorique :

Énergie spécifique des types de batteries et de l'essence

On dirait que le lithium-O₂ pourrait faire des batteries aussi légères que de l'essence !

Li-S et Li-O₂ sont-ils réellement possibles ?

Quelles propriétés devrait avoir toute cathode ?


Le type de cathode le plus couramment utilisé aujourd'hui est l'oxyde de cobalt et de lithium(LiCoO₂). C'est assez lourd, mais ça fonctionne. En revanche, les « meilleures » alternatives dont nous parlons ici sont encore en cours de développementt.

Les batteries au lithium-soufre existent déjà aussi, mais pas encore à une grande échelle.

Les batteries au lithium-O₂ sont plus délicates que les batteries Li-S, mais elles sont possibles. Nous ne savons simplement pas encore si nous pouvons les faire fonctionner suffisamment bien pour qu'elles soient d'un usage pratique.

Le vrai problème, cependant, c'est que nous avons parlé de chiffres théoriques. Comme tu t'en souviens, nous avons abandonné tous les composants autres que la cathode. La cathode ne représente que 41% de la masse totale, donc même si nous atteignons le minimum théorique de masse de la cathode, les autres 59% de la masse de la batterie actuelle seraient toujours là. Cela signifie que l'on obtiendrait moins d'un doublement de l'amélioration même si la cathode ne pesait rien !

Aïe ! La recherche est difficile, mais avec beaucoup de matière grise (et d'investissements), ces technologies s'améliorent petit à petit ! Les anodes et les matériaux qui maintiennent les batteries ensemble sont aussi de plus en plus légers, et les chercheurs font constamment des progrès.

La principale conclusion qui en découle est la suivante : nous n'aurons peut-être jamais de batteries ayant la même énergie spécifique que l'essence, mais nous pourrions avoir des batteries qui contiennent plus de deux fois, voire même 3 à 5 fois plus d'énergie par kg que les batteries actuelles.

Comment rendre les voitures et les camions électriques moins chers

Le prix des batteries lithium-ion a baissé de façon spectaculaire ces dernières années, et on prévoit qu'il va encore diminuer.

Prix des batteries

Ceci est en partie dû à l'innovation, mais aussi aux économies d'échelle. Aujourd'hui, nous construisons beaucoup plus de batteries qu'il y a quelques années, ce qui permet à l'industrie d'utiliser des méthodes de production de masse qui rendent tout le processus moins cher. La société Tesla, l'un des plus grands producteurs de batteries au monde, construit d'énormes usines pour augmenter l'automatisation et la production, et diminuer les coûts.

Pouvons-nous utiliser des batteries pour résoudre le problème de stockage des énergies solaire et éolienne ?

Pour le transport électrique, la densité énergétique et l'énergie spécifique sont très importantes. Cependant, pour un stockage à l'échelle du réseau électrique, l'évolutivité et les coûts sont bien plus importants. Pourquoi ? Parce que nous avons besoin de stocker beaucoup d'énergie. Regardons les chiffres.

Au prix de production actuel d'environ 150 dollars/kWh de stockage de batteries, combien cela coûterait-il de construire des batteries pour stocker la quantité d'énergie consommée dans le monde en un jour ?


Nous aimerions voir un nombre inférieur ici, mais malheureusement, c’est là où nous en sommes. 70 000 milliards de dollars américains représentent plus de 80% du PIB mondial total de 2018. Cela veut dire que construire suffisamment de batteries pour tenir une journée d'électricité pour l'ensemble du globe coûterait la même chose que 80% de tous les biens produits en 2018 - tous !

Les batteries d'aujourd'hui sont chères

Les batteries sont extrêmement importantes pour l'électrification des transports, donc ce que tu as appris ici reste toujours très utile.

Mais nous n'avons pas encore abandonné l'idée du stockage à grande échelle ! Nous allons examiner quelques alternatives de stockage d'énergie d'ici deux chapitres. Mais d'abord, jetons un coup d'œil à l'hydrogène comme carburant et examinons comment il pourrait électrifier les avions et les navires, et peut-être même, être une alternative aux batteries des voitures.

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