L’énergie prend de multiples formes et dans un monde où les besoins sont toujours croissants, le rôle des batteries est primordial. Aujourd’hui, la meilleure technologie en la matière repose sur le lithium-ion. Ce type de batterie a été inventé dans les années 1970 afin de répondre à la crise pétrolière. Depuis, elle s’est améliorée et imposée dans tous les secteurs, mais son utilisation massive pose aujourd’hui de nouveaux défis. A quels enjeux doivent répondre les batteries lithium-ion ?

Comment fonctionnent les batteries lithium-ion ?

Le 9 octobre 2019, le Prix Nobel de chimie a été remis au Britannique Stanley Whittingham, à l’Américain John Goodenough, et au Japonais Akira Yoshino. Trois noms jusqu’alors inconnus du grand public qui ont inventé et développé la batterie lithium-ion. Des smartphones aux voitures électriques en passant par les ordinateurs, les objets de notre quotidien fonctionnent grâce aux batteries lithiuom-ion. Une technologie d’abord développée par Stanley Whittingham pour répondre au choc pétrolier. Il réussit à démontrer l’intérêt du lithium par rapport aux autres métaux alors utilisés (nickel, cuivre, etc.) et met au point la première batterie lithium laquelle va être perfectionnée par deux hommes.

Pour fonctionner, une batterie comprend une électrode positive (la cathode), une électrode négative (l’anode), un séparateur et un électrolyte. Il est possible de jouer sur chacun de ses composants et matières. L’Américain John Goodenough a amélioré la première batterie au lithium en remplaçant le sulfure de métal servant à la cathode par de l’oxyde de cobalt. Un changement qui a entraîné la multiplication par deux des performances de la batterie. Le dispositif est efficace, mais instable, car la libération rapide des électrons et l’agglomération d’ions de lithium a tendance à provoquer des court-circuits. C’est là que le Japonais Akira Yoshino entre en scène et parvient en 1985 à utiliser de la coke de pétrole en guise d’anode. Le mariage est réussi et la batterie lithium-ion ne souffre d’aucun rival sérieux depuis le milieu des années 1980.

Pour résumer, le principe est le suivant : la batterie libère de l’électricité par échange réversible des ions lithium entre deux électrodes : une anode en graphite et une cathode en oxyde métallique. Sony puis l’ensemble des entreprises high-tech se lancent dans la fabrication de batteries lithium-ion. Ces dernières peuvent stocker trois à quatre fois plus d’énergie de masse que leurs concurrentes, se rechargent plus vite et ont une durée de vie supérieure (au moins un demi-millier de rechargement à 100 %). Des qualités qui en font un incontournable pour tous les appareils indispensables à notre quotidien (appareil photo, smartphone, voiture électrique, etc.).

Un avenir sans nuage pour le lithium-ion ?

Développée il y a plus de trente ans, la batterie lithium-ion est encore et toujours la batterie référence dans tous les domaines industriels. Pourtant, deux facteurs contribuent à une remise en cause possible de cette technologie. Le premier est son utilisation exponentielle. On compte environ deux milliards de batteries au lithium-ion rien que pour les appareils électroniques. A cela s’ajoute environ un milliard de batteries dans les véhicules électriques et un autre milliard dans le domaine industriel. Rien qu’avec le développement des voitures électriques, le nombre de batteries en France va passer de 40 000 par an à 16 millions à l’horizon 2035.

Le besoin en lithium est exponentiel et cela implique un approvisionnement pas toujours aisé. En effet, si le service géologique américain estime à 85 000 tonnes, les réserves disponibles au niveau mondial (soit 180 ans de stock), les (grands) producteurs ne sont qu’une dizaine. La plupart des pays sont donc dépendants de cette matière première et le sont doublement, car plus des trois quarts des batteries sont produites en Asie et principalement en Chine. Les bisbilles commerciales entre les Etats-Unis et la Chine pourraient un jour avoir des répercutions sur tous les appareils contenant du lithium. Un tsunami aux conséquences extraordinairement lourdes.

Ainsi, si les batteries ont permis de se sortir en partie de la dépendance aux pays pétroliers, l’utilisation massive du lithium ouvre une nouvelle dépendance avec tous les dangers que cela implique. De plus, les conséquences environnementales ne sont pas anodines. Il faut généralement près de deux milliards de litres d’eau pour extraire une tonne de lithium. Dans la région chilienne de Salar de Atacama, les activités minières représentent à elles seules, 65 % de la consommation d’eau. De plus des phénomènes de pollution sont notamment constatés dans les nappes phréatiques. Le lithium n’apporte pas que des réponses et va devoir trouver de nouvelles techniques afin d’être exploité sans mettre trop à mal la planète.