Les neutrons contribuent au développement de réseaux électriques durables

Bien que les panneaux solaires et les éoliennes abondent, l'incapacité à stocker l'énergie qu'ils produisent en vue d'une utilisation ultérieure a constitué une limitation majeure au déploiement des énergies renouvelables dans les réseaux électriques.

« Le stockage est un élément qui a manqué au réseau pendant cent ans. Mais cela commence à changer »

JB Straubel, directeur technologique de Tesla Motors, affirme que sans capacités de stockage d'énergie à grande échelle, ces sources renouvelables ne pourront pas représenter plus de 20 à 30 % de l'électricité. En effet, en raison des limitations technologiques, le stockage est tout simplement trop coûteux. En effet, selon M. Straubel, « le stockage est une pièce qui a manqué au réseau pendant cent ans. » Mais les choses commencent à changer.

Tesla Motors, plus connu pour ses véhicules électriques qui utilisent l'énergie stockée dans des batteries lithium-ion, s'est récemment lancé sur le marché de l'électricité en proposant sa propre technologie de stockage de l'énergie. Par exemple, en mars 2017, Tesla a ouvert une installation d'énergie solaire à Kauai, à Hawaï, qui utilise 52 mégawatts heures (MWh) de capacité de stockage pour fournir une électricité fiable 24 heures sur 24, contribuant ainsi à réduire la dépendance de l'île à l'égard des importations de diesel. Ta'u, une île des Samoa américaines de 600 habitants, fonctionne avec près de 100 % d'énergie solaire depuis novembre 2016 grâce à sa propre installation énergétique Tesla, qui peut stocker suffisamment d'énergie pour alimenter l'île pendant trois jours sans soleil. « Cela n'était pas du tout possible il y a cinq ou dix ans », souligne M. Straubel. « Le stockage est une nouveauté ».

Si Kauai et Ta'u représentent des avancées majeures en termes de stockage d'énergie, la capacité de ces installations ne représente qu'une quantité minuscule de l'électricité utilisée quotidiennement dans les zones les plus peuplées. Par exemple, en janvier 2017, Tesla a ouvert une installation de stockage d'énergie dans le sud de la Californie, la plus grande à ce jour. Cette installation, d'une capacité de 80 MWh et qui stocke suffisamment d'énergie pour alimenter 2 500 foyers pendant une journée, réduit la nécessité de brûler du gaz naturel pendant les périodes de pointe de la demande.

Pourtant, il faudrait mettre en place de nombreuses autres installations de stockage de l'énergie avant que les énergies renouvelables puissent fournir un approvisionnement fiable en électricité lorsque le soleil ne brille pas et que le vent ne souffle pas. Toutefois, à l'heure actuelle, le coût d'une telle capacité de stockage est prohibitif. En effet, le coût élevé des batteries lithium-ion est le principal obstacle à l'adoption massive des installations de stockage d'énergie (ainsi qu'à l'utilisation généralisée des véhicules électriques).

« Le stockage de l'énergie à l'échelle requise pour les grands réseaux électriques est probablement l'un des deux ou trois principaux problèmes auxquels l'humanité est confrontée à l'heure actuelle »

Le professeur Jeff Dahn de l'Université Dalhousie relève le défi de réduire le coût de ces batteries. Pour ses nombreuses contributions passées au développement des batteries lithium-ion d'aujourd'hui, M. Dahn a reçu en 2017 le plus grand prix de recherche du Canada, la médaille d'or Gerhard Herzberg des sciences et de l'ingénierie du Canada. Enthousiasmé par ses efforts novateurs, Tesla a commencé à parrainer son programme de recherche et a même créé un centre de R&D Tesla près de Dalhousie en 2016.

Plus précisément, le partenariat entre Dahn et Tesla vise à améliorer le stockage des batteries lithium-ion tout en réduisant leur coût. « L'une de nos approches consiste à rechercher des matériaux susceptibles d'augmenter la densité énergétique », explique M. Dahn. « Une augmentation de 20 % de la densité énergétique, par exemple, entraînerait une réduction d'environ 20 % du coût pour une quantité égale de stockage d'énergie ».

Les batteries lithium-ion sont des dispositifs simples. Deux électrodes, généralement des métaux, libèrent ou absorbent des ions lithium. Un milieu liquide, appelé électrolyte, permet au lithium de se déplacer d'une électrode à l'autre. Le lithium étant chargé électriquement, son mouvement crée de l'électricité.

En général, lorsque la tension augmente, la densité énergétique d'une batterie augmente également. Cependant, si la tension est trop élevée, les électrodes se dégradent, ce qui réduit la durée de vie de la batterie. Ainsi, pour déterminer la tension optimale permettant d'équilibrer la densité énergétique et la durée de vie de la batterie, il faut d'abord établir exactement comment le matériau de l'électrode se comporte en fonction de la tension dans les conditions d'une batterie en fonctionnement.

L'un des projets récents de M. Dahn a porté sur un matériau appelé NMC(442), membre d'une classe de matériaux nickel-manganèse-cobalt peu coûteux qui ont le potentiel de résister à des tensions plus élevées et d'atteindre une densité énergétique plus importante tout en conservant une durée de vie relativement longue pour les batteries.

Comme la plupart des scientifiques qui étudient les matériaux, Dahn utilise une série d'outils de recherche qui varient en fonction de la nature du matériau et des questions de recherche. Souvent, pour des problèmes particulièrement difficiles pour lesquels d'autres outils tels que les rayons X sont inadéquats, les chercheurs en matériaux utilisent des faisceaux de neutrons.

Pour Dahn, il était clair que la seule façon d'observer les changements structurels au niveau moléculaire se produisant dans le NMC(442) dans les conditions de fonctionnement de la batterie était d'utiliser des faisceaux de neutrons. Les neutrons sont plus sensibles que les rayons X en termes de détection d'atomes plus légers tels que le lithium lorsque des atomes plus lourds tels que le nickel, le manganèse et le cobalt sont également présents. De plus, les neutrons sont nettement plus performants que les rayons X pour distinguer ces trois métaux.

Mais avant de pouvoir utiliser des faisceaux de neutrons pour observer les changements au niveau moléculaire dans des batteries en fonctionnement, l'électrolyte doit d'abord être deutéré (c'est-à-dire que tout l'hydrogène de l'électrolyte doit être sous la forme d'un isotope de l'hydrogène, le deutérium). Et comme quelques grammes d'électrolyte deutéré peuvent coûter des milliers de dollars, le prix d'une telle expérience peut facilement décourager les scientifiques qui doivent fonctionner avec un budget de recherche universitaire classique.

L'équipe de recherche de M. Dahn a donc entrepris de réduire le coût de l'électrolyte deutéré utilisé dans les expériences sur les batteries lithium-ion. L'équipe de M. Dahn a commencé par examiner plusieurs solvants (c'est-à-dire des liquides qui servent de base à l'électrolyte) relativement faciles (et peu coûteux) à deutérer. Dans une étude publiée en 2015, les chercheurs ont montré que la deutérisation du plus prometteur de ces solvants, l'acétate d'éthyle, n'affectait pas les performances de la batterie, même après de nombreux cycles de charge et de décharge.

En utilisant des faisceaux de neutrons au Centre australien de diffusion des neutrons, l'équipe a ensuite mené des expériences sur de la poudre de NMC(442) imbibée d'électrolyte, la moitié des échantillons étant imbibée d'électrolyte à base d'acétate d'éthyle et l'autre moitié étant imbibée d'un électrolyte plus conventionnel (et plus coûteux). Les résultats n'ont pas été affectés par l'utilisation de l'électrolyte à base d'acétate d'éthyle, ce qui a conduit les chercheurs à conclure que l'acétate d'éthyle est un substitut d'électrolyte approprié pour les expériences sur les faisceaux de neutrons, à un coût deux fois moindre. En fait, les collaborateurs australiens de M. Dahn commencent à utiliser cet électrolyte rentable dans leurs propres programmes de recherche sur les batteries.

« Les collaborateurs australiens de M. Dahn commencent à utiliser cet électrolyte rentable dans leurs propres programmes de recherche sur les batteries »

Sur la base de ces résultats, l'équipe de M. Dahn s'est à nouveau tournée vers les faisceaux de neutrons pour effectuer d'autres examens du NMC(442) dans les conditions de fonctionnement des batteries, en utilisant leur électrolyte moins coûteux. Cette série d'expériences apporte un éclaircissement nécessaire sur les changements qui se produisent au niveau moléculaire pendant la charge de la batterie. Par exemple, les résultats publiés dans un deuxième article en 2015 ont montré que la structure cristalline du NMC(442) se dilate dans une direction lorsqu'il absorbe des ions lithium pendant la charge. En outre, cette expansion est réversible tant que la tension ne dépasse pas un seuil de 4,7 volts - un résultat particulièrement remarquable, non seulement parce que la réversibilité implique que le matériau est chimiquement stable dans ces conditions, mais aussi parce que les batteries lithium-ion conventionnelles (qui utilisent le LiCoO₂) ne peuvent généralement fonctionner qu'à 4,2 volts.

« L'équipe de M. Dahn a déposé une demande de brevet pour un électrolyte amélioré qui utilise des additifs pour améliorer les performances dans plusieurs domaines clés, notamment l'allongement de la durée de vie des batteries, l'amélioration de la sécurité, l'accélération de la charge et l'augmentation de la densité énergétique. »

La perspective de faire fonctionner les batteries à une tension supérieure de 12 % - en particulier en utilisant des matériaux moins coûteux - est séduisante, car elle pourrait se traduire par des réductions de coûts significatives pour les installations de stockage d'énergie à grande échelle, qui nécessitent plusieurs milliers de batteries. Elle pourrait également rendre les véhicules électriques plus abordables, car les batteries représentent une part importante du coût de ces véhicules.

À l'aide de diverses techniques expérimentales, l'équipe de M. Dahn a continué à explorer les possibilités d'utilisation du NMC(442) dans les batteries lithium-ion. Au cours de la période qui a suivi leurs expériences avec le faisceau de neutrons, les chercheurs ont publié trois autres articles sur les effets positifs de divers additifs à l'électrolyte sur les performances des batteries. À la lumière de leurs résultats, l'équipe a déposé un brevet pour un électrolyte amélioré qui utilise des additifs pour améliorer les performances dans plusieurs domaines clés, notamment l'allongement de la durée de vie des batteries, l'amélioration de la sécurité, l'accélération de la charge. L'électrolyte breveté offre notamment une meilleure tolérance à la haute tension, ce qui permet d'augmenter la densité énergétique.

Malgré les progrès considérables réalisés par les technologies de stockage de l'énergie au cours des dernières années, M. Dahn estime qu'il reste encore beaucoup à faire. « Le stockage de l'énergie à l'échelle requise pour les grands réseaux électriques est probablement l'un des deux ou trois principaux problèmes auxquels l'humanité est confrontée à l'heure actuelle », souligne M. Dahn. « La prochaine génération de chercheurs et les chercheurs actuels doivent donc s'atteler à la tâche et travailler sur ce problème. »

DOI: 10.1016/j.electacta.2015.05.169
DOI: 10.1016/j.electacta.2015.08.122

Cet article de recherche a été republié avec l’autorisation de l’Institut canadien de diffusion des neutrons.