Batterie : et si nous utilisions du zinc au lieu du lithium-ion ?

Le lithium-ion a été largement utilisé sur les batteries de nos appareils électroniques : ces batteries se chargent plus rapidement, durent plus longtemps et ont une densité de puissance supérieure aux batteries traditionnelles (souvent à base de plomb). Ce sont les raisons qui ont poussé les constructeurs à privilégier cette technologie dans nos appareils électroniques, et c’est ce qui a permis à nos smartphones d’arborer des design si fins et nos voitures électriques de rouler plus de 400 kilomètres. 

Nous avions dédié un article à cette technologie, pour mieux comprendre son rôle et son fonctionnement. D’ailleurs, ce dossier devrait également répondre à de nombreuses questions que vous nous posez régulièrement.  L’affaire du Galaxy Note 7 pousse néanmoins les constructeurs à envisager d’utiliser de nouvelles technologies… et les recherches autour du zinc ont redémarré. 

Le zinc, qu’est-ce que c’est ?

Le zinc, vous l’utilisez déjà. Il est intégré dans vos piles alcalines qui sont non rechargeables. Si nous nous intéressons à cet élément chimique, c’est qu’il fait partie des prétendants au remplacement du lithium-ion. Théoriquement, mixé à l’air, le zinc est plus sûr et moins coûteux, il propose également une meilleure densité de puissance et on le trouve en abondance sur Terre. Ainsi, la technologie Zinc-Oxygène pourrait fournir une énergie jusqu’à 1370 Wh/kg, à comparer aux 385 Wh/kg du lithium-ion, soit environ 4 fois plus, des chiffres que l’on retrouve sur le blog scientifique Erios. Sur une Tesla, par exemple, l’autonomie passerait à plus de 1000 kilomètres, au lieu de 400 kilomètres environ aujourd’hui.

Ce qui pousse également les chercheurs à effectuer des recherches sur cette technologie, c’est sa capacité à se transformer en oxyde de Zinc, il n’est donc pas dangereux, ne cause pas de feu au contraire du lithium qui réagit très dangereusement à l’air et à l’eau. Il permet également des charges plus rapides, enfin il est aisément recyclable, ce qui par voie de conséquence permet de créer des batteries entièrement recyclables.

Mais pourquoi n’a-t-on toujours pas adopté le zinc dans nos batteries ?

Finalement, avec toutes ces qualités, le zinc semble être un prétendant intéressant pour remplacer le lithium-ion. Néanmoins, la réaction chimique derrière cet élément pose soucis. En particulier, par le fait qu’il n’y a pas de catalyseur d’air stable pour la conversion de l’oxygène en hydroxyde en phase de décharge et pour la réaction inverse lors de la charge. 

La réaction chimique derrière le zinc pose soucis

Les anodes de zinc sont généralement fabriquées en liant des particules de poudre de zinc. Sur les cycles de chargement et de recharge, ces derniers développent un revêtement de dendrite, qui est moins conducteur. En raison de cette répartition inégale des charges, les aiguilles de zinc vont grossir et finiront par percer la mince barrière qui sépare l’anode de la cathode. Résultat : un court-circuit qui signe la mort de la batterie.

Grâce aux subventions de l’ARPA, une agence américaine chargée du développement des nouvelles technologies, l’US Naval Research Laboratory effectue des recherches sur le zinc, l’équipe en charge du projet aurait trouvé une solution pour pallier aux problèmes des réactions chimiques utilisées dans les batteries à base de zinc. 

Une anode poreuse distribue le courant de manière plus uniforme, afin d’empêcher la production de dendrites

Les chercheurs couplent ainsi l’anode de zinc avec une cathode de nickel, ce qui permet de créer une anode poreuse distribuant le courant de manière plus uniforme, afin d’empêcher la production de dendrites.

La batterie de tests a ainsi pu tenir 100 et 150 cycles avant de voir sa capacité de charge diminuer de moitié. Ces résultats sont encourageants, mais sont encore loin d’être bons. Les chercheurs ont également obtenu d’autres résultats positifs en multipliant le nombre d’électrolytes dans les prototypes de laboratoire.

Pour le moment, l’armée américaine table sur une utilisation en 2019. Néanmoins, cette date dépend des avancées scientifiques et des subventions : c’est un programme que l’administration Trump a récemment menacé de geler. 

En attendant ces avancées, d’autres technologies sont envisagées

Sur les smartphones, les constructeurs s’intéressent également au graphène. En utilisant du graphène dans les batteries, des chercheurs ont réussi à pousser davantage la température au sein des batteries (en évitant l’accident), permettant entre autres d’accélérer leur charge. Des constructeurs, comme Huawei, envisagent d’intégrer cette technologie aux futurs terminaux. En attendant, une première batterie externe pourrait être commercialisée en 2017, elle propose une charge complète (5000 mAh) en 5 minutes.