La batterie zinc pour réussir la transition énergétique ?

Les batteries dominées par la technologie lithium-ion, posent des problèmes environnementaux, géopolitiques et de sécurité. Au Collège de France, on travaille sur d’autres options. Dans l'Hexagone, des recherches sont menées sur des systèmes à base de zinc, plus sûrs et durables.

Véhicules électriques, smartphones, ordinateurs portables, trottinettes… Les batteries – notamment celles au lithium – ont envahi de nombreux objets quotidiens. Or, ces batteries présentent des risques en termes de sécurité, utilisent du lithium, un métal relativement rare, dont l’extraction est très polluante. À cela s’ajoutent des difficultés de recyclage. D’où l’intérêt de travailler sur de nouveaux modèles.

C’est ce à quoi s’attellent deux jeunes chercheurs du Collège de France, Ivette Aguilar et Hugo Chotard. Au sein du Laboratoire de chimie du solide et d'énergie dirigé par le spécialiste mondial des batteries, le professeur Jean-Marie Tarascon, ils travaillent sur une batterie au zinc et à l’oxyde de manganèse. « C’est un système qui existe déjà : c’est la fameuse pile triple A que l’on a dans nos télécommandes », explique Ivette Aguilar. Mais ce système a une limite : il n’est pas ou peu rechargeable. C’est pourquoi on le trouve essentiellement sous forme de pile et non de batterie.

Passer d’une pile à une batterie

Le problème vient du zinc et plus précisément de sa forte réactivité à l’eau, composante principale de l’électrolyte des batteries Zn/MnO2. « Quand l’eau s’approche des électrodes, elle va se mettre à réagir à l’instar de la réaction électrochimique (réaction qui produit de l’énergie). Ainsi, les molécules d’eau réagissent avec les électrodes pour se casser et produire de l’hydrogène ou de l’oxygène », pose Ivette Aguilar.

Hugo Chotard poursuit : « Cette production d’hydrogène, qui est de plus exacerbée lorsque l’on charge et décharge la batterie, va être source de problèmes de sécurité pour le consommateur. Il est donc primordial de l’éviter à tout prix. »

L’approche d’Ivette Aguilar et de son équipe consiste à contourner ce problème en changeant la composition de l’électrolyte. « Ça restera un électrolyte à base d’eau mais je vais ajouter des molécules autour de l’eau. » Les chercheurs travaillent aussi sur un autre élément : le séparateur. « C’est une sorte de papier qui aide à contenir l’électrolyte tout en empêchant le contact entre les deux électrodes, indique Hugo Chotard. Ce qui est majoritairement utilisé dans la recherche aujourd’hui pour les batteries aqueuses, c’est une sorte de fibre de verre. Mais elle semble favoriser les dendrites (des excroissances qui peuvent réduire l'efficacité de la batterie et accélérer son vieillissement). On essaie donc de développer des membranes à base de biopolymères, tels que des celluloses. Ce sont des polymères extraits d’arbres et de coquilles de crabe ou de crevettes. Cela fait partie de nos recherches d’essayer de concevoir un séparateur doté de meilleures performances et qui soit biosourcé. »

Idéale en tant que batterie stationnaire

L’objectif d’Ivette Aguilar et d’Hugo Chotard est d’obtenir un prototype Zn/MnO2 rechargeable fin 2025. Pour quel usage ? « Nous voulons nous focaliser sur des applications qui n’ont pas besoin d’être légères. Dès qu’on a besoin de légèreté, de mobilité, de portabilité, la batterie lithium-ion reste la plus performante. La technologie Zn/MnO2 est lourde et il faudrait miser sur les applications "non portatives", mais aussi qui ne demandent pas beaucoup de puissance. Cette technologie est plus adaptée au stockage des énergies renouvelables. »

La chercheuse imagine des parcs de batteries adossés à des centrales solaires ou des parcs éoliens « qu’on charge quand on a un surplus d’énergie et qu’on utilise quand on en a envie. » Soit le principe des batteries stationnaires qui permettent d’équilibrer le réseau électrique. Dans son scénario de mix électrique français reposant à 100% sur des énergies renouvelables à horizon 2050, le gestionnaire du réseau de transport d’électricité RTE prévoit l’installation de parcs de batteries stationnaires pouvant délivrer jusqu’à 26 GW d’électricité. Une partie d’entre elles pourraient être des batteries zinc.