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Batteries

Sans polymères, pas de batteries électriques…

Par Yves Therrien

Toutes les batteries lithium-ion des véhicules électriques, des ordinateurs, des tablettes et des téléphones cellulaires n’existeraient pas sans les polymères. Même chose pour les accumulateurs de stockage de l’électricité provenant des capteurs solaires ou des éoliennes.

Les polymères sont toujours présents dans les batteries, indique en entrevue le professeur Karim Zaghib, de l’école de génie et d’informatique Gina-Cody à l’Université Concordia, où il effectue des recherches dans l’univers des batteries depuis 37 ans. Les batteries à base de polymères ne sont pas nouvelles, puisque SONY a inventé en 1991 les premières batteries lithium-ion. 

« Lorsque Tesla a commencé à utiliser les batteries cylindriques lithium-ion dans ses véhicules électriques, il y avait un vent de changement. Depuis trois ans, on constate un grand mouvement vers l’électrification des différents modes de transports, notamment à cause des bouleversements climatiques. Les gouvernements et les constructeurs de véhicules accélèrent l’électrification des transports », a affirmé le professeur Zaghib.

Jusqu’en 2008 environ, les énergies fossiles dominaient le monde avec le pétrole et le gaz pour les transports. Le professeur Zaghib souligne d’ailleurs que le rendement énergétique d’un véhicule à essence est d’environ 27 %, alors que pour les véhicules électriques, le rendement est de plus de 97 %. 

Aussi, sans la technologie des batteries à base de matériaux polymères, presque aucun des appareils électroniques actuels ne fonctionnerait sur terre et dans l’espace. D’ailleurs, l’électronique occupe la première place dans le marché des batteries au lithium. L’électrification des transports prend la deuxième place. Et le secteur du stockage de l’énergie occupe la troisième place d’un marché en croissance exponentielle, précise M. Zaghib.

Il explique la composition de ces fameuses batteries lithium-ion avec trois composantes, soit l’anode (négatif), la cathode (positif) et l’électrolyte, qui ont besoin des polymères pour distribuer l’énergie.

L’anode est composée de cuivre, de graphite, de silicium, de carbone et d’un polymère qui sert de liant. Ce liant, décrit le professeur Zaghib, est à base de caoutchouc dissous ou immergé dans de l’eau. On ajoute aussi un épaississant d’origine polymère. Dans l’électrolyte, il y a un séparateur polymérique comme le polyéthylène ou le polypropylène, voire un mélange des deux, explique-t-il. Dans la cathode, on a de l’aluminium, du cobalt, du nickel, du manganèse, du lithium, du fer, du phosphate et un liant qui est le polyfluorure de vinylidène.

Il note trois types de batteries. Les batteries cylindriques sont protégées par une couche de polymères. Elles sont utilisées dans le monde de l’automobile, comme choisies par le constructeur Tesla pour son modèle Y. Elles se retrouvent aussi dans les vélos électriques ou dans des outils portatifs et des appareils médicaux.

Les cellules prismatiques sont dans une enveloppe rectangulaire en aluminium ou dans une matière plastique très résistante. On les utilise dans la machinerie, les véhicules industriels et le stockage d’énergie pour en augmenter la capacité. Il y a aussi les cellules lithium de type pochette flexible que l’on trouve dans les téléphones multifonctions, les tablettes, les ordinateurs portables, les montres et dans l’industrie automobile.

« On appelle cela du métal-plastique, continue-t-il. Il y a de l’aluminium, du méthane et des polymères thermo-extensibles. »

L’avenir passe par les batteries en polymère solide

De nombreux chercheurs dans le monde travaillent à mettre au point de nouvelles batteries solides basées sur l’utilisation des polymères pour le stockage de l’électricité autant pour les véhicules électriques que pour le fonctionnement des appareils électroniques.

Ces batteries de nouvelle génération remplaceront à plus ou moins long terme celles à base d’un électrolyte liquide qui utilise de surcroît des polymères perfluorés (polyfluorure de vinylidène) pour la cohésion des électrodes intégrées avec des solvants organiques souvent cancérigènes. D’ailleurs, dans le cas d’une surchauffe, d’un court-circuit ou lorsque la batterie subit des chocs qui endommagent le système des accumulateurs, ce type d’électrolyte risque de prendre feu.

Les chercheurs de l’Université de Montréal Arnaud Prébé et Steeve Rousselot soulignent que « les batteries du type lithium solide seront une solution aux problèmes de sécurité et à la dangerosité cancérigène des solvants organiques utilisés lors de la fabrication des composantes de la batterie. Le tout solide, cela devrait limiter drastiquement les risques de feu selon les recherches actuelles ».

En Europe, les autorités songent à interdire ce produit dangereux qu’est le polyfluorure de vinylidène à cause de sa toxicité sur le long terme (polymère éternel). Par exemple, la mise en forme des électrodes consiste à dissoudre le polymère dans un solvant organique qui doit être évaporé dans de longs fours, mais bien que le fabricant récupère le solvant, il n’en demeure pas moins toxique pour l’environnement et les humains.

D’ailleurs, dans le cas des batteries solides, qui contiendront environ 40 % de polymère en volume pour moins de 30 % du poids, les procédés de fabrication sont plus simples, car ils font appel notamment à l’extrusion, un procédé utilisé couramment dans l’industrie des polymères. En outre, la durée de vie de ce type de batterie serait plus grande avec des prix de vente moins élevés.

C’est d’ailleurs cette technologie qu’utilise la compagnie Blue Solutions, de Boucherville, pour ses batteries solides qui font appel à la technologie du lithium métallique avec un électrolyte solide en polymère donc sans solvant liquide.

Comme le soulignent les chercheurs Prébé et Rousselot, cette technologie peut supporter des températures plus élevées (>60 °C), ce qui rend la batterie plus sécuritaire et plus facile à recycler.

Pour l’industrie électrique, il s’agit donc de trouver des moyens plus efficaces, moins coûteux et plus respectueux de l’environnement. Il reste encore un certain travail à faire pour obtenir des produits ayant une forte densité d’énergie qui ne seront pas limités par le format, car les batteries solides pourront prendre à peu près n’importe quelle forme selon les besoins, et ce, à un coût inférieur à celui des batteries actuelles.

Assurances et garanties

Dans le monde de l’automobile, les médias ont fait état des problèmes de fiabilité des composantes et de la durabilité des batteries actuelles, sans parler des cas d’incendie causé par des batteries.

Toutefois, Jesse Caron, expert automobile et coordonnateur des essais routiers de CAA-Québec, souligne que les constructeurs ont connu des problèmes et des risques à cause des réactions chimiques extrêmes, mais la plupart des cas se sont produits aux États-Unis. Il y en a eu très peu au Canada comparativement aux nombres de véhicules électriques sur les routes. C’est sensiblement la même chose en Europe.

Quant aux nouvelles batteries en polymère solide, M. Caron souligne que les recherches progressent, mais quil est difficile de savoir quand elles apparaîtront sur le marché.

« Les constructeurs ne se font pas tirer l’oreille pour corriger les problèmes en publiant de nombreux rappels. Les consommateurs sont mieux protégés. Il y a eu des cas où Ford a dû remplacer des batteries après un an d’usage seulement », note-t-il.

Et les plastiques dans tout ça?

Au-delà des matériaux polymères qui constituent le cœur de ces batteries, il y a les matériaux plastiques qui sont aussi de la famille des polymères et qui sont notamment utilisés comme séparateurs des composantes internes ou comme boîtiers externes. Il y a aussi certaines matières plastiques qui sont transformées sous forme d’un textile technique qui peut être formé pour servir d’isolant thermique et ignifuge, par exemple.

Les pièces de plastiques sont des composantes importantes et essentielles dans les batteries. D’ailleurs, avec la mise en place de la zone d’innovation désignée sous le nom Vallée de la transition énergétique, l’industrie de la fabrication et de l’assemblage des batteries ne pourra que s’accroître au Québec. Ainsi, il y a donc une opportunité de développement économique à saisir pour les manufacturiers de l’industrie québécoise des polymères avec le rapprochement géographique et stratégique d’un marché de niche en pleine croissance. Par contre, selon l’avis du professeur Zaghib, notamment, l’industrie des plastiques et des polymères doit se développer dans un univers d’économie circulaire en réfléchissant sérieusement au recyclage des diverses composantes des batteries dont les plastiques.

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