“L’accumulateur à l’or des fous”

Les accumulateurs lithium-ions hautes performances ont un problème : tôt ou tard les ressources de lithium vont se faire rares car la production de voitures électrique et d’accumulateurs stationnaires va sans cesse en augmentant.

Des chercheurs de l’Empa et de l’EPF de Zurich ont cependant découvert une solution. Leur dispositif se compose fer, de soufre et de magnésium – des éléments dont les ressources sont quasiment inépuisables – et il permettrait de réaliser à faible coût d’énormes accumulateurs stationnaires dans les bâtiments ou à proximité des centrales électriques.

La clé du succès : la pyrite (or des fous) utilisée comme matériau pour la cathode.

La recherche d’accumulateurs bon marché pour le stockage de l’électricité est une affaire urgente: de plus en plus souvent, la production irrégulière d’éco-courant amène les réseaux de distribution conventionnels à leur limite de charge. Pour y pallier, il faudrait disposer d’accumulateurs temporaires raccordés à un réseau intelligent (smart grid). Le nombre des voitures électriques, qui doivent pouvoir recharger leur accumulateur rapidement, va lui aussi s’accroître. Les puissants accumulateurs lithium-ions bien connus sont mal adaptés pour servir d’accumulateurs temporaires; ils sont trop chers et le lithium va se faire rare. Ce qu’il faut, c’est une alternative bon marché – un accumulateur utilisant des ingrédients peu coûteux et disponibles en masse. L’électrochimie est toutefois une chose assez compliquée: tout ce qui est bon marché ne permet pas forcément de fabriquer un accumulateur.

Sûr, durable et avantageux

Maksym Kovalenko, Marc Walter et leurs collègues du laboratoire "Films minces et photovoltaïque" de l’Empa sont parvenus à résoudre en quelque sorte la quadrature du cercle: l’équipe de Kovalenko a combiné une anode de magnésium avec un électrolyte de magnésium et d’ions sodium. La cathode est elle formée de nanocristaux de pyrite – aussi dénommée "l’or des fous", parce que lors de la ruée vers l’or, à cause de son éclat et de sa couleur, les prospecteurs inexpérimentés la confondaient souvent avec ce métal précieux. La pyrite est du sulfure de fer cristallin formé de fer et de soufre. Lors de la décharge de l’accumulateur, les ions sodium de l’électrolyte migrent dans la cathode et lors de sa recharge la pyrite cède à nouveau les ions sodium.

Cet accumulateur, dénommé accumulateur hybride sodium magnésium, fonctionne déjà en laboratoire et présente plusieurs avantages : le magnésium est plus sûr que le lithium car il brûle moins facilement. Et le prototype de laboratoire de cet accumulateur a déjà subi 40 cycles de charge décharge sans perte de capacité – un résultat prometteur qui invite littéralement à poursuivre son optimisation.

Le plus gros avantage de cet accumulateur est que ses composants sont très bon marché et disponibles en quantités quasiment inépuisables: les nanocristaux de sulfure de fer peuvent être obtenus par exemple en broyant à sec du fer métallique et du soufre dans un broyeur à billes conventionnel. Le fer, le magnésium, le sodium et le soufre comptent parmi les éléments le plus abondants dans la croute terrestre et viennent se ranger au 4e, 6e, 7e et 15e rang par ordre d’abondance. Un kilogramme de magnésium coûte ainsi moins de quatre francs, soit 15 fois moins que le lithium. On peut encore faire des économies lors de la fabrication de cet accu bas prix: les accumulateurs Li-ions demandent des feuilles de cuivre relativement chères pour collecter et conduire le courant. Sur l’accumulateur à l’or des fous, des feuilles d’aluminium bon marché suffisent.

"L'accumulateur à l'or des fous"

[ Nanocristaux de pyrite sous le microscope électronique: c’est avec de tels cristaux qu’est confectionnée la cathode de «l’accumulateur à l’or des fous» (Photo: Empa) ]

Un potentiel de stockage égal à la production annuelle de courant de la centrale nucléaire de Leibstadt

Ces chercheurs pensent que le potentiel de leur développement réside avant tout dans la construction de grands accumulateurs connectés au réseau. En effet l’accumulateur à l’or des fous n’est pas adapté pour les voitures électriques car sa puissance est trop faible. Mais là où ce sont les critères de coût, de sécurité et d’écologie qui prédominent, cette technique présente des avantages. Dans leur article récemment publié dans la revue scientifique «Chemistry of Materials», les chercheurs de l’Empa proposent la construction d’accumulateurs d’une capacité de l’ordre de plusieurs térawattheures.

Un tel accumulateur serait, par exemple, en mesure de stocker la production annuelle de la centrale nucléaire suisse de Leibstadt. "Le potentiel de cet accumulateur n’est pas encore totalement épuisé", a déclaré Kovalenko qui, parallèlement à ses activités de recherche à l’Empa, est professeur dans le département de chimie et des biosciences appliquées à l’EPF de Zurich.

"En améliorant encore l’électrolyte, il est certainement possible d’augmenter encore la tension et la durée de vie des accumulateurs hybrides sodium magnésium (…) Nous sommes à la recherche d’investisseurs qui nous soutiennent dans notre recherche sur la voie de l’ère post-lithium et qui sont disposés à lancer sur le marché cette technologie d’avenir."

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Lylep

la valeur de la pyrite est en francs dans l’article……; vos info sont elles un scoop?

Loustiko

ce sont des francs francs suisses!

Tech

je sais qu’il y a quelquefois loin du labo à l’industrialisation, mais ce que je retiens, c’est l’ordre de grandeur de réduction du prix du matériaux principal un facteur 15. c’est très encurangeant et pourrait changer les idées sur le stockage. je n’ai pas les moyens de vérifier, mais parler de TeraWattheures c’est un gros cran au dessus de l’existant! la prospective, doit donc en tenir compte. et la proposition de création de stockage pour chaque nouveau site de production va de plus en plus faire sens

Papijo

“Nous sommes à la recherche d’investisseurs qui nous soutiennent dans notre recherche …” C’est la phrase la plus importante de l’article: on n’a pas encore trouvé … assez de sous ! Aidez-nous ! Les batteries, c’est secondaire … Si la “découverte” était aussi intéressante … il n’y aurait pas besoin de faire autant de publicité, au contraire, on chercherait à protéger le secret de la découverte en attendant le dépôt de brevets

Lio

@ Papijo : Les innovations de rupture, surtout concernant la phase d’industrialisation quand il s’agit de lancer une nouvelle filière nécessitant des investissement important se heurtent à la méfiance des investisseurs qui n’y connaissent rien et trop souvent suivent le mouvement des autres… Ce comportement avare et méfiant, connus de ceux qui étudient les dynamiques d’innovation de rupture est souvent présenté comme un des freins principaux à leur développement. Par ailleurs, affirmer “Les batteries, c’est secondaire”, c’est montrer votre ignorance la plus complète à propos du domaine que vous critiquez pourtant ! Le stockage de l’énergie est un des enjeux majeurs actuels de la filière énergie. Les systèmes de captation-transformation énergétique sont de plus en plus dépendants du climat et donc tributaires de ses aléas. La transition vers les énergies renouvelables qui est adoptée dans tous les pays du monde – avec plus ou moins d’engagement, mais quand même – passe forcément par l’enjeu du stockage énergétique. Le nier, c’est se tromper sur la réalité actuelle. Et qu’est-ce qui vous fait dire que cette équipe de chercheurs n’a pas protégé cette invention ? Alors prudence oui, mais peur aveugle non !

V e-solaires

C’est une erreur d’utiliser (et de transporter) trop de batterie dans un véhicule ! Sur le point s’arriver et les plus performants au plan optimisation de l’énergie et donc des ressources sont les véhicules électro-solaires classe «Cruiser» 2/4 places : très bonne autonomie y compris de nuit (ex : 830 km de jour pour l’eVe Sunswift et plus de 500 km la nuit à + de 106 km/h constants, homologués par la FIA, Guiness etc, plus encore pour la Stella Solar Lux) – 10 fois moins de batterie que pour un VE classique = 60 kg maxi – très peu ou pas de bornes de recharges à prévoir – donc pas d’impact sur le réseau électrique mais au contraire fourniture possible d’énergie (6 à 15 m2 de solaire / véhicule vitrages inclus rendement 30% et +) – excellente efficacité énergétique (supérieure d’un facteur 12 comparé aux VE actuels) donc également excellent bilan par le minimum de matières premières utilisées – faible poids, tb aérodynamisme, rendement de plus de 98% des moteurs dans les roues 1,5 KW, récup. de plus de 80% d’énergie au freinage, excellents Cx/Cd (0,07 au mieux comparé à 0,24 pour Tesla) et coef. de roulement – potentiel d’améliorations (rendement solaire, batterie etc) encore important – Voir modèle commercial proche Immortus EVX 2 places 150 km/h 550 km d’autonomie (Australie), Swinburne Solar X, 4 modèles Hanergy Solar (Chine) en collaboration avec Tesla, déjà autorisées sur route Stella Solar 4 places 730 km d’autonomie de jour et 430 km la nuit à plus de 100 km/h constants, eVe Sunswift Solar 2 places (140 km/h), SolarWorld GT (plus d’1 million de km par tous temps), Sunriser Solar (ThyssenKrupp / Bochum Univ), OWL (Kogakuin Univ, Japon), Lodz Solar 4 places 100 km/h 1500 km d’autonomie (Pologne), Calgary Solar, Daedalus Solar, Eos Solar (Univ. Minnesota), Aruna Solar 4 places 500 km d’autonomie (Univ. Technique d’Istanbul – Turquie), SERve (Solar Electric Road Vehicle / Tata et Manipal Univ. Inde) Tafe SA, Solar Mobil Malindra, Midnight Sun XI Solar, Navitas Solar Purdue, Stanford Luminos, Rice Solar Car (solaire urbaine Etats-Unis) etc. Jonction en cours avec les véhicules électriques encore nettement moins efficients. Plus de 60 universités de pointe concernées dans le monde (Stanford, MIT, Eindhoven, Twente, Bochum, NSW Univ, Caltech, Calgary, Purdue, Malindra etc) + retombées technos. A noter également pour améliorer les véhicules thermiques actuels il existe HySolarKit ou autres EVX (Australie) qui sont des kits pour convertir un véhicule essence classique en véhicule hybridosolaire. Ces systèmes permettent de réduire la consommation de 20 à 40% selon les usages, de même que les émissions polluantes, avec un coût très faible comparé à l’achat d’un véhicule hybride. Un exemple : Suncruiser solar de ThyssenKrupp et Bochum Univ : .

gaga42

Entièrement d’accord avec Papijo, surtout qu’avec un seul proto qui n’a subit que 40 cycles, on est très loin du compte. Aucune donnée technique essentielle telle que capacité massique ou volumique, puissance massique, rendement etc… qui pourrait permettre de rendre crédible les TWh. Moi je suis capable de faire des piles avec des clous et des patates, beaucoup moins chères que le lithium!

Pastilleverte

Attention, ils vont finir par faire exploser le prix du magnesium ! (même en francs suisses, comme certains l’ont ou pas remarqué) Moi qui ne suis pas scientifique, quand je vois le “potentiel” de stocker une ANNEE de production d’une centrale nucléaire (de combien de tranches, ce n’est pas précisé), je dis évidemment “chapeau” mais aussi “????” Concerne combien de ces “nouvelles batteries” ? Et encore le “potentiel n’est pas encore épuisé”, bon OK les STEP à la poubelle !

Pastilleverte

Tiens, à propos du Li air, dernier état de la recherche (?) pour les anglophones;

Verdarie

Celles de Papijo ne sont pas fausses ! Et Lio complète bien les problèmes. Je m’étonne ,j’allais dire simplement ?… Que Sicétaitsimple, pour parler de stockage, ne vous ait pas donné la solution ? ….Enfin, celle que je propose en vain depuis pas mal de temps sur Enerzine ?………. Méfions-nous également de ce qui semble peu cher comme le dit fort justement Pastilleverte. Car le prix dépend de l’abondance mais surtout de la demande. De mon point de vue, vous en ferez ce que vous voudrez, mais rien ne vaut un système qui utilise les matériaux disponibles partout, sans avoir à subir les contraintes de l’approvisionnement qui sont un frein et un coût supplémentaire du stockage.

Lionel-fr

LEs batteries ne feront pas de stockage de masse réseau mais plutôt de la régulation locale et de la rectificaton de signal. 40 cycles , c’est négligeable les supercapas font des millions de cycles et n’utilisent que du graphène bien qu’il faille du phosphore pour les fabriquer.. Les batteries ne fournissent que de l’électricité alors que l’hydrogène fournit de la chaleur et de la force mécanique. L’hydrogène se transporte par pipe alors que les batteries sont lourdes. L’hydrogène se stocke dans l’espace ‘vide’ d’un container avec un log PI3 du diamètre du contenant, alors que tous les systèmes de batterie ont un facteur lineaire entre electrolyte et capacité. L’hydrogène fera du stockage de masse car non seulement l’eau est abondante sur terre mais elle a l’élégance de venir pleuvoir à notre porte ! Il n’y a pas que les matériaux qui soient chers , il y a leur transport.. Entre un stockage d’un MWh et les TWh de l’article , c’est un facteur 7 log10 ! Pas sortis de l’auberge L’hydrogène vaincra..

Tech

avec un sponsor comme papy papijo on aurait même pas dépassé l’age de pierre ;o)) I. c’est pour du stokage statique pas pour les voitures comme certains ont mal lu. j’ai connu la gravure à plusieurs microns pour les circuits intégrés ils en sont aujourd’hui à la dizaine de nanomètre gain d’un facteur 1000 !!! et bien sur il faut e l’argent pour améliorer les process et les optimiser en restant ENR et PV on est passé de 4% à 40% en rendement en solaire PV! quand on voit qu’avec des milliards un EPR prend des années de retard on ne devrait pas pleurer sur qq millions pour l’innovation stockage. je trouve au contraire très encourageant que des universitaires continuent à chercher des solutions spécialement quand c’est pour réduire les coûts!

Verdarie

L’hydrogéne est une partie du tout. Il peut répondre à des besoins spécifiques mais je doute qu’on puisse l’utiliser partout ? Néanmoins utiliser l’hydrogène pour le mélanger à d’autres gaz afin de réduire notre dépendance et donc notre dépense énergétique, OUI ! Le problème de l’H2 pour le stockage de masse reste son rendement ? Plus encore s’il faut le produire à partir du nuke car on ne gagne rien ! Comme le dit Tech les rendements Enr ont progressés de presque 40 %. Mais attendez le stockage de masse , il ne fera pas progresser le rendement mais fera progresser la demande en supprimant l’intermittence et en adaptant la conso/production, donc en offrant un véritable choix aux consommateurs.Choix de continuer avec l’énergie carbonée avec tous les inconvénients qu’elles produisent ou changer pour les énergies renouvelables, seule solution économique à long terme pour tous les pays.

Pastilleverte

(ce qui est fort possible …), j’avais compris que Tech parlait d’un rendement “actuel” de 40% en PV. A ma connaissance, cela a été atteint et même un peu plus, mais uniquement en laboratoire et sur des surfaces de quelques mm². En conséquence on trouvera du PV 40% dans le commerce dans… quelques années, et à quel prix ? Et restera donc le problème du stockage, mais la panacée H2 vient sauver le monde.

Lionel-fr

Si j’en crois le CEA, l’hydrogène peut être obtenu en phase vapeur à 90% de rendement (mieux que les steps) En chaleur le rendement est de 105% si vous avez une bonne source froide (ou un système de chauffage bien fait) 105% de 90% , c’est plutôt pas mal En fixe avec de la place, vous pouvez vous contenter de stockage à 30 ou 50bar ce qui correspons aux water-crackers de McPhy ou Areva.. Dans les transports , le rendement on s’en fiche complétement, le kw-essence est bien plus cher que le kW fixe. Non ! en fait , le frein actuel c’est l’absence de tout équipement nativement compatible… Il faudra faire des “sites-pilotes” et autres joyeusetés couteuses avant de lancer la série. D’autre part , on ne lancera pas ça avec un pétrole à 43$ et un gaz à 3.5$ pour lesquels les équipements sont adaptés. Quand le nuke produit pour exporter à 20€/MWh vers l’allemagne , il me semble qu’on peut gagner pas mal en doublant les steps. Les hommes d’argent vont hurler mais qu’un réacteur produise 800MW ou 1300 MW ne fait pas travailler plus de monde, c’est juste l’usure des matériels … Combien ça coute ça ? Bon . Ca coûte le prix que le vend l’opérateur certes, mais l’opérateur, c’est l’état et l’état , c’est qui ?

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