L'augmentation rapide des ventes de voitures électriques provoque une pénurie de batteries. Pour résoudre ce problème, nous devons améliorer le recyclage des matières premières utilisées dans les batteries et accélérer le développement de nouveaux types de batteries.

Cela semble être une conséquence naturelle de sa condamnation lorsque le professeur Poul Norby conduit sa voiture électrique presque silencieusement dans le parking du campus DTU Lyngby en se rendant au bureau. Ici, ses recherches se concentrent sur la création de connaissances qui peuvent ouvrir la voie à de meilleures batteries dans les voitures, entre autres.

"Pour moi, la voiture électrique résout bien plus de problèmes qu'elle n'en crée", déclare le professeur.

Le statut vert des voitures électriques a toujours été fortement débattu, notamment parce que la production de batteries de voitures électriques génère beaucoup plus de CO₂ que les batteries de voiture conventionnelles, et l'extraction de leurs matières premières est potentiellement problématique.

Cependant, les analyses du cycle de vie d'une voiture électrique, de la chaîne de montage à la casse, montrent que les voitures électriques au Danemark émettent beaucoup moins de CO₂ globalement que les voitures fonctionnant à l'essence ou au diesel. De plus, des mesures ont été mises en place pour assurer une extraction plus respectueuse de l'environnement qui profitera aux mineurs ainsi qu'à l'environnement.

Poul Norby fait partie d'un groupe croissant de personnes qui investissent dans un avenir sans énergie fossile en achetant une voiture électrique :selon les chiffres de l'Agence internationale de l'énergie, 6,6 millions de voitures électriques ont été vendues dans le monde l'année dernière. C'est trois fois plus que deux ans plus tôt. En fait, le nombre moyen de voitures électriques vendues en une seule semaine en 2021 était égal au nombre total de voitures électriques vendues pendant toute l'année 2013.

Cette augmentation rapide des ventes entraîne une pénurie de batteries. En partie parce qu'il sera difficile d'extraire suffisamment rapidement et de manière responsable des matières premières telles que le cobalt, le lithium, le nickel et le graphite, qui sont actuellement souvent utilisées dans les batteries. Et en partie parce que la demande de batteries est susceptible de dépasser la capacité de production pendant un certain temps.

Pression sur les matières premières

Dans une étude d'avril de cette année, des chercheurs de la KU Leuven en Belgique ont estimé que pour atteindre l'objectif de devenir climatiquement neutre d'ici 2050, l'Europe aura besoin de 36 fois plus de lithium et de plus de quatre fois plus de cobalt qu'aujourd'hui. Cela créera une bataille pour les ressources.

Selon Poul Norby, une façon de réduire les inévitables goulots d'étranglement consiste à développer de nouveaux et meilleurs types de batteries qui utilisent moins de matières premières qui seront les plus demandées.

Le défi de l'approvisionnement permettra, entre autres, d'accélérer les travaux pour trouver des alternatives aux batteries lithium-ion qui sont utilisées dans la plupart des voitures électriques aujourd'hui, et qui contiennent encore environ 10 % de cobalt, malgré les efforts pour en réduire la quantité.

De nombreuses recherches ont déjà été menées pour trouver des alternatives au cobalt, en le remplaçant par du fer ou du manganèse, entre autres. Cela conduit le professeur à faire une prédiction audacieuse :

"Dans cinq ans, il n'y aura plus de cobalt dans nos batteries lithium-ion. C'est une déclaration très audacieuse, mais c'est là que nous nous dirigeons, car le cobalt est problématique à bien des égards."

Processus de développement plus rapide

Le poids, les performances et le prix de la batterie jouent un rôle important pour déterminer si quelque chose est une alternative intéressante à la populaire batterie lithium-ion. Les deux premiers paramètres permettent de s'assurer que les voitures électriques peuvent fonctionner aussi longtemps que possible avec une seule charge.

Avec un certain nombre de collègues du DTU, Poul Norby fait partie du projet de recherche sur les batteries le plus important et le plus coûteux de l'UE à ce jour, le BIG-MAP. Leur tâche est de développer un processus efficace pour évaluer quels matériaux sont de bons candidats pour le développement de nouvelles batteries efficaces, non seulement pour une utilisation dans les voitures, mais pour la transition verte en général.

"En créant un processus efficace pour développer, tester et évaluer de nouveaux matériaux, nous pouvons considérablement augmenter la vitesse du processus de développement de matériaux. Ainsi, nous combinons la modélisation théorique avec le travail expérimental et créons un processus d'apprentissage automatique autonome qui nous permet de évaluer en permanence et décider de la voie à suivre », déclare-t-il.

Leurs travaux apportent des connaissances fondamentales sur les matériaux qui ont une utilisation réelle ou potentielle en tant que matériaux nouveaux ou existants. À bien des égards, c'est l'étape qui précède le développement de nouvelles batteries, mais c'est une étape essentielle pour éviter de travailler sur des idées qui s'avèrent finalement inefficaces.

Prochaine étape de développement

Selon Poul Norby, la prochaine étape dans le développement de nouvelles batteries concerne les batteries à semi-conducteurs. Contrairement aux batteries lithium-ion actuelles, l'électrolyte (c'est-à-dire la connexion entre les pôles positif et négatif de la batterie) est solide au lieu d'être liquide et est composé de verre, de minéraux ou de polymères.

Plusieurs grands constructeurs automobiles ont investi massivement dans le développement de batteries à semi-conducteurs, qui devraient être plus résistantes au feu, se recharger beaucoup plus rapidement et contenir deux fois plus d'énergie que les batteries lithium-ion disponibles aujourd'hui. Plusieurs marques automobiles ont annoncé qu'elles s'attendaient à disposer d'une batterie à semi-conducteurs utilisable d'ici 2025.

Selon Poul Norby, le rêve ultime est d'avoir une batterie lithium-air avec une densité d'énergie proche de celle des combustibles fossiles - et qui ne nécessite pas de cobalt :

"Les avantages du développement d'une batterie au lithium-air ont toujours été énormes, mais y parvenir est incroyablement difficile. Si ce n'était des énormes avantages que nous avons à gagner, personne ne s'y essaierait jamais."

En combinant calculs et travaux expérimentaux, les chercheurs du DTU ont montré qu'en théorie, il était possible de fabriquer une batterie lithium-air. Cependant, il s'avère jusqu'à présent très difficile d'atteindre une efficacité énergétique, une vitesse de charge et une durabilité suffisantes.

"C'est certainement quelque chose qui pourrait révolutionner la technologie des batteries, mais c'est encore loin, si c'est même possible", dit-il.

Une nouvelle vie pour les vieilles piles

La recirculation jouera également un rôle important dans la prévention d'une pénurie de matières premières à long terme. L'étude susmentionnée de la KU Leuven estime que si l'Europe investit massivement maintenant, le continent pourra couvrir 40 à 75 % des besoins en matières premières pour la transition verte grâce au seul recyclage.

"Le débat public donne l'impression que la recirculation commence ici et maintenant, mais ce n'est pas vrai. Les matériaux des batteries sont recyclés depuis très longtemps. Cela a été difficile et coûteux jusqu'à présent, mais le développement de méthodes de recyclage moins chères et plus efficaces progresse". rapide", déclare Poul Norby.

Les chiffres du Parlement européen montrent qu'en 2019, 51 % des batteries portables vendues dans l'UE ont été collectées pour être recyclées, mais les politiciens européens s'efforcent d'ajuster les règles pour garantir un niveau de recyclage plus élevé, y compris pour les batteries stockées et les voitures électriques.

"Pratiquement tous les matériaux des batteries devront être recyclés à l'avenir, même si ce n'est pas rentable", déclare le professeur Norby.

Tesla et Volkswagen rapportent qu'ils peuvent déjà recycler plus de 90 % des matériaux de leurs propres batteries. Bien sûr, le processus de recyclage est indéniablement plus facile lorsqu'il s'agit de démonter des batteries de 500 kg et de les trier en tas de matières premières utilisables que lorsqu'il s'agit de manipuler un mélange de batteries plus petites provenant, par exemple, de téléphones portables et d'ordinateurs portables, qui contiennent différents types de métaux dans des proportions variables. montants.

"Maintenant, nous aurons ces grosses batteries où vous saurez exactement ce qu'elles contiennent, comment elles ont été traitées et de quoi elles sont faites. Cela facilite également leur démontage", déclare Poul Norby.

Il existe également d'autres façons de penser à la recirculation des batteries de voitures électriques :lorsque la capacité de charge devient trop faible pour que les batteries soient utilisées dans les voitures, elles peuvent être utilisées pour d'autres choses, telles que le stockage de l'énergie dans de petites centrales solaires locales. Une pile de piles usagées peut constituer une unité de stockage locale pendant 10 à 15 ans avant qu'il soit nécessaire de démonter les piles et d'utiliser à nouveau les matières premières.

En prolongeant ainsi la durée de vie des batteries, nous pouvons également gagner du temps pour développer des moyens moins coûteux et plus efficaces de recycler les matières premières. + Explorer plus loin

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