Le tout électrique : Pourquoi un avenir propre exige des voitures électriques et plus encore
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Mis à jour le: 03 Mar 2021
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Qu’est-ce que les téléphones, les réfrigérateurs et les télévisions ont en commun ? Ils utilisent de l’énergie sous forme d’électricité.
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 pouvoir alimenter les transports et le chauffage avec de l’électricité plutôt que du pétrole ou du gaz
.
Convertir l’électricité en chaleur a une efficacité de presque 100%. La seule chose qui nous arrête est le prix incroyablement bas du gaz. Par conséquent, nous devons rendre l’électricité propre moins chère. N’oublie pas qu’il est inutile d’utiliser de l’électricité au lieu du gaz si l’électricité provient des combustibles fossiles.
Qu’en est-il du transport ?
Les batteries pourraient remplacer 71% des carburants des transports !
Batteries vs 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 performarce 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 ?
Il y a de nombreux types de batteries. La plus courante aujourd’hui est la batterie dite Lithium-Ion (Li-Ion), qui est utilisée partout, de ton téléphone aux voitures électriques. Ces batteries peuvent être chargées rapidement et déchargées des milliers de fois.
Les batteries lithium-ion
Les pièces les plus importantes d’une batterie lithium-ion sont :
- 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.
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.
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 truement être unis avec leurs électrons.
L’anode
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
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 et utilisables commercialement. Cependant, elles sont encore relativement chères et il est toujours bon de voir leur performance s’améliorer. De plus, les avions, les camions et les navires électriques ne sont pas encore disponibles. Pourrions-nous les rendre possibles ? Voici certains aspects clés que nous aimerions truement améliorer dans les batteries :
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 sont 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, des carburants comme le diesel ou le kérosène peuvent contenir 13 000 Wh/kg !
Batterie vs 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.
Nous avons besoin d’accumuler le lithium quelque part, et c’est le seul rôle de l’anode.
Si nous pouvions construire une batterie sans les pièces de support et une anode sans poids, nous pourrions réduire le poids à 41% du poids actuel des batteries, ce qui nous donnerait une énergie spécifique de 250/0,41 = 609 Wh/kg.
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 la combinaison lithium-air pourrait rendre les batteries aussi légères que l’essence !
Les batteries Li-S et Li-Air sont-elles réellement possibles ?
Le type de cathode le plus couramment utilisé aujourd’hui est l’oxyde mixte de cobalt et de lithium (LiCoO₂ . Il est assez lourd, mais il fonctionne. En revanche, les « meilleures » alternatives dont nous parlons ici sont toujours en cours de développement.
Les batteries lithium-soufre (Li-S) sont aussi déjà disponibles, mais pas encore à une échelle massive.
Les batteries lithium-air sont plus complexes que les batteries Li-S, mais elles sont possibles. Nous ne savons pas encore si nous pouvons les faire fonctionner assez bien pour être utiles dans la pratique.
Cependant, le true bémol est que nous n’avons parlé que de chiffres théoriques. Si tu te souviens, nous avons laissé tomber tous les composants autres que la cathode. La cathode ne représentait que 41% de la masse totale, donc même si nous atteignons le minimum théorique de la masse cathodique, les 59% restants de la masse de batterie actuelle seraient toujours là. Cela signifie que nous obtiendrions au mieux une amélioration du double, même si la cathode ne pesait rien !
Aïe ! La recherche est difficile, mais avec de grands efforts intellectuels (et d’investissement), ces technologies s’améliorent pas à pas ! Les anodes et les matériaux qui maintiennent les batteries ensemble sont également plus légers, et les chercheurs font constamment des progrès.
La conclusion principale qui découle de tout ceci est la suivante : il se peut que nous n’ayons jamais des batteries avec la même énergie spécifique que l’essence, mais nous pourrions obtenir des batteries qui tiennent plus du double, 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 à l’échelle de production. 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.
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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