Batteries : l'heure de la rupture avec le lithium?!

Pendant des décennies, la Technologie des batteries a été un véritable frein à notre progrès. Le lithium-ion, omniprésent dans nos smartphones et nos ordinateurs portables, n'a pas fondamentalement évolué depuis les années 60. Pourtant, l'essor fulgurant des véhicules électriques et les avancées récentes en science des matériaux laissent entrevoir une révolution imminente. Et si la solution se trouvait dans un minéral bien plus commun ?

Calcium : le nouveau champion des batteries ?

J'observe avec attention les développements autour des batteries à l'état solide de Donut, mais il existe d'autres pistes prometteuses pour succéder au lithium-ion. Et il y a quelques heures seulement, l'une de ces alternatives a franchi une étape décisive : les batteries calcium-ion.

Pour faire simple, une batterie est un dispositif qui stocke l'énergie grâce à des réactions électrochimiques. Elle se compose d'une anode, d'une cathode et d'un électrolyte. Le ballet des électrons et des ions entre l'anode et la cathode permet de stocker et de libérer l'énergie. Le lithium, utilisé comme composant clé de la cathode et de l'électrolyte depuis des décennies, présente des avantages indéniables : bonne densité énergétique, recharges rapides et durée de vie correcte.

Mais le lithium a ses faiblesses. Sa réactivité avec l'air le rend dangereux en cas de dommage, et les incendies qu'il provoque sont notoirement difficiles à maîtriser. De plus, il est rare et son extraction soulève des enjeux géopolitiques. En outre, nous approchons des limites théoriques de la densité énergétique du lithium-ion. Les astuces, comme l'ajout de silicium à l'anode, ne sont que des palliatifs.

C'est là que le calcium entre en jeu. Ce minéral, cinquième en abondance dans la croûte terrestre et présent dans le lait, offre une alternative séduisante. Sa conductivité élevée, son point de fusion élevé (1547,6 °F) le rendent plus sûr que le lithium. Il est également non toxique et plus respectueux de l'environnement.

Théoriquement, les batteries calcium-ion peuvent atteindre une densité énergétique supérieure à celle des batteries lithium-ion (3202 Wh/L contre 2800 Wh/L pour les batteries lithium-ion à base de silicium-carbone). Mais pourquoi ne les utilisons-nous pas déjà ?

Le principal obstacle réside dans la dissolution des électrodes à base de calcium lors des cycles de charge et de décharge, dégradant la capacité de la batterie. Une équipe de chercheurs de l'Université de Hong Kong pour la Science et la Technologie, dirigée par le professeur Yoonseob Kim, a récemment surmonté cet obstacle en développant un électrolyte quasi-solide qui améliore le transport des ions et limite l'usure lors des cycles répétés.

Le résultat est impressionnant : une capacité spécifique réversible de 155,9 mAh g⁻¹ à faible courant, correspondant à une densité énergétique de 280 à 320 Wh/L, comparable aux batteries lithium-ion actuelles. Mais surtout, la batterie a conservé 74 % de sa capacité après 1000 cycles de charge et de décharge, surpassant ainsi de nombreuses batteries lithium-ion. Avec des tensions plus élevées (par exemple, 3,6 V), la capacité de cette batterie calcium peut atteindre environ 1800 Wh/L.

Le chemin vers nos smartphones ?

L'intégration des batteries calcium-ion dans nos smartphones est-elle imminente ? La question mérite d'être posée. Si ces batteries sont une alternative prometteuse au lithium-ion, des défis subsistent. Les ions calcium sont plus volumineux que les ions lithium, ce qui impose des contraintes sur la vitesse de transport à l'intérieur de la batterie. En clair, elles ne se rechargent pas aussi rapidement. De plus, l'infrastructure nécessaire à leur production (mines, usines, etc.) doit être créée de toutes pièces, ce qui prendra du temps et nécessitera des investissements considérables. Une commercialisation à grande échelle pourrait prendre 5 à 10 ans.

Bien que leur adoption à grande échelle soit encore lointaine, certains chercheurs testent déjà des batteries calcium dans de petits appareils électroniques. Une équipe chinoise a même démontré la faisabilité d'une batterie calcium-oxygène capable d'alimenter des montres connectées et des smartphones. L'avenir nous dira si le calcium deviendra le nouveau fer de lance de la révolution énergétique.