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«C'est grâce à un tremblement de terre que s'est relancée la recherche sur les batteries»

Frédérique PLAS/UMR8620/CNRS Photothèque

C’est l’un des grands spécialistes des enjeux liés aux batteries et au stockage de l’énergie. Le chimiste français Jean-Marie Tarascon, professeur au Collège de France et membre de l’Académie française des sciences, a reçu en septembre le prix Balzan 2020 consacré aux défis environnementaux et à la science des matériaux pour les énergies renouvelables. Il s’accompagne d’une dotation de 750’000 francs suisses.

A cette occasion, Heidi.news a pu échanger avec le lauréat. Avenir des batteries lithium-ion après la consécration du Nobel de chimie en 2019, nouveaux défis à l’heure des smart grids et des véhicules électriques… Entretien.

Heidi.news — On observe aujourd’hui un véritable foisonnement dans la R&D sur les batteries. D’autres technologies que le lithium-ion, qui reste encore prédominant, sont évaluées. Où en est-on aujourd’hui?

Pr Jean-Marie Tarascon— Depuis plusieurs années c’est la technologie Li-ion, qui a le rapport performances-coûts le plus concurrentiel, qui domine le marché des portables, véhicules électriques, par exemple. Aujourd’hui, la R&D se poursuit sur cette technologie, mais les questions sont différentes: il s’agit de réduire leur empreinte écologique, notamment en limitant leur teneur en cobalt.

Mais d’autres technologies font également l’objet de recherches approfondies: batteries lithium-air, lithium-soufre, ou même zinc-air. J’ai pour ma part travaillé sur une solution sodium-ion, une technologie qui pourrait être commercialisée d’ici cinq à dix ans. Elles ne concurrencent pas directement les batteries Li-Ion, mais leur sont complémentaires, car elles trouvent des niches d’application différentes.

Elles délivrent en effet une puissance électrique bien plus importante que les batteries Li-Ion. Or, c’est précisément ce que l’on cherche pour les véhicules dits mild hybrid, où la batterie, via un générateur électrique, vient en renfort d’un moteur thermique traditionnel, et se recharge au cours de la conduite. Au vu des normes européennes sur les émissions CO2 du secteur automobile, et des implications financières pour les constructeurs, je crois qu’il existe un véritable marché pour cette technologie.

Pourrait-on imaginer d’autres usages à ces batteries à sodium?

L’inconvénient de cette technologie, c’est qu’elle occupe bien plus d’espace, à densité énergétique égale, que le Li-Ion, qui reste souvent bien plus facile à transporter. Cela limite les applications demandeuses en autonomie, par exemple celles liées au véhicule électrique. En revanche, au-delà de l’argument de la puissance, c’est une solution intéressante pour le stockage de l’énergie dans la grille électrique, par exemple celle produite par une éolienne ou un panneau solaire. Le volume, au contraire des applications dans les transports, n’y est pas le facteur limitant. Et ce d’autant plus que ces batteries supportent bien un nombre élevé de charges et de décharges, sans que cela affecte trop leurs performances.

Mais pour le stockage de l’énergie sur la grille électrique, l’idéal reste encore aujourd’hui l’hydro-électrique. C’est ce qui revient le moins cher au kilowatt-heure! Car la plupart des cours d’eau pouvant être équipés le sont déjà: on se heurte aux limites de la géographie. Il y a alors besoin d’alternatives. Il peut s’agir de batteries, mais aussi, en fonction des situations, de stations de pompage pour faire remonter l’eau en hauteur afin de stocker l’énergie. C’est ce qu’on appelle des stations de transfert d'énergie par pompage (STEP).

Vous vous êtes d’abord intéressé aux matériaux supraconducteurs. C’est après avoir été recruté par Bell Labs en 1982, aux Etats-Unis que vous avez commencé à travailler sur les batteries… Pouvez-vous nous expliquer comment?

En effet! Je vais vous raconter cette histoire, qui a joué un rôle important dans la poursuite de ma carrière. Lorsque j’ai été recruté chez Bell Labs, j’étais encore un jeune chercheur en chimie des solides. La société se targuait à l’époque d’être l’une des structure abritant le plus de prix Nobel au mètre-carré…. A un moment, Bell Labs a revu son organisation en raisons des lois anti-trust américaines, et déplacé les activités liées aux télécommunications vers sa filiale Bellcore, que j’ai rejointe pour travailler sur les matériaux supraconducteurs.

Mais en 1989 est survenu un séisme à Loma Prieta, en Californie, qui a coupé la plupart des lignes électriques. Théoriquement, Bell disposait d’accumulateurs au plomb lui conférant une autonomie de 8h pour pallier cet aléa. Mais elles ont été épuisées au bout de seulement 45 minutes! Les dirigeants de Bell ont alors cherché à savoir où en étaient les recherches sur les batteries au sein du groupe. Et ont découvert qu’il n’y en avait pas! Un groupe de travail sur les batteries a donc été monté du jour au lendemain chez Bellcore. Ayant une formation en chimie des solides et en électrochimie, j’en ai pris la tête. En quatre ans, nous avons mis au point les premières batteries plastiques lithium-ion.

La mise au point de nouveaux types de batteries n’est pas la seule voie explorée par la recherche: il y a aussi ce qu’on appelle le Battery Management System (BMS), la science des capteurs permettant de suivre le vieillissement d’une batterie. Il y a quelques mois, vous avez montré l’intérêt des fibres optiques sur ce point…

Il y a plusieurs axes de recherche sur lesquels travailler. L’amélioration des batteries Li-Ion bien sûr, dont il faut réduire la teneur en cobalt, mais également la fiabilité des batteries en général. Depuis quatre à cinq ans, je suis convaincu qu’il est essentiel de mettre davantage d’intelligence dans la gestion des batteries. L’inspiration vient de la médecine: il s’agit de disposer de capteurs (température, impédance, etc…) donnant une idée de l’état de «santé» d’une batterie. Lorsqu’on voit le nombre de choses qu’il est déjà possible de piloter au smartphone (chez soi, à distance, en matière de domotique, par exemple), cette question de la fiabilité va bientôt devenir essentielle.

Cependant pour développer ces nouvelles batteries, que je caractériserais de «batteries intelligentes», notre domaine souffre encore du manque d’approches pluridisciplinaires. On utilise des fibres optiques (dites à réseaux de Bragg) depuis des décennies dans de nombreux domaines, par exemple le bâtiment ou les travaux publics, mais ce n’est que récemment que des physiciens les ont injectées dans des batteries. Dans nos travaux publiés par Nature Energy à l’été 2020, nous ne sommes certes pas la première équipe à avoir eu l’idée d’utiliser des fibres optiques sur des accumulateurs électriques. Mais c’est la première fois qu’on le fait en se concentrant sur plusieurs aspects chimiques et thermiques associés au fonctionnement de la batterie afin de connaître son état de santé.

Pouvoir suivre en temps réel les évolutions de température et les réactions chimiques parasites au sein de l’accumulateur ouvre la voie au développement de systèmes de gestion de batteries avancés (BMS). Ces derniers permettront d’abord de prolonger la durée de vie des batteries de l’ordre de 20 à 30%. Mais cela permet aussi d’anticiper la seconde vie de la batterie. Un accumulateur utilisé dans une voiture électrique, s’il n’a pas mal vieilli, pourra ensuite être réemployé par exemple pour stocker de l’énergie sur le réseau électrique. Mais on peut aussi aller plus loin, comme envisager des batteries capables d’auto-réparation. Par exemple, si une électrode se craquelle, on risque de perdre en conduction électrique. On pourrait imaginer l’ajout d’une bulle remplie d’une solution conductrice de carbone, qui lors d’une fissure entrainant une perte de conduction électrique, et donc de capacité, s’ouvrirait pour libérer la substance dans le matériau de l’électrode afin d’en rétablir le caractère conducteur.

Le prix Balzan s’accompagne d’une généreuse dotation, dont la moitié doit être dévolue à des projets de recherches menés par de jeunes scientifiques. Quels sont vos projets en la matière?

Tout d’abord, j’ai été surpris par le nombre de messages que j’ai reçu de mes confrères après avoir appris que j’étais lauréat! J’ai ainsi découvert qu’il s’agissait d’un prix prestigieux… Je pense qu’il y a beaucoup à faire pour développer davantage ces batteries intelligentes. Il faut des connaissances non seulement en électrochimie, mais également en physique, en optique, voire en biologie… Cela passe par la formation de davantage de jeunes scientifiques, qu’il faut encourager à sortir des sentiers battus. Il faut parvenir à créer une nouvelle communauté scientifique sur la question, et en favoriser la pluridisciplinarité.


Le Prix Balzan

Chaque année, la Fondation internationale Balzan, basée en Italie et en Suisse, remet les prix Balzan à l'occasion d'une cérémonie organisée alternativement à Berne et à Rome. Cette année, elle a récompensé quatre chercheurs en géologie, chimie, sciences sociales et droits humains.

En plus de Jean-Marie Tarascon, le prix a également primé Susan Trumbore de l’Institut Max Planck pour ses travaux sur la dynamique du système terrestre, Joan Martinez Alier de l’Université autonome de Barcelone pour ses travaux sur la réponse des sciences sociales et humaines aux défis environnementaux, et enfin Antônio Augusto Cançado Trindade de l’Université fédérale du Minas Gerais (Brésil) pour son engagement pour les droits humains.

La remise des prix, au départ prévue le 19 novembre à Rome, a été repoussée à cause de la situation sanitaire.

Les matières qui seront récompensées par le prix Balzan 2021 ont aussi été annoncées. Il s’agira:

  • Des étues sur la shoah et le génocide

  • De l’art et de l’archéologie dans le Proche-Orient ancien,

  • Du microbiome en santé

  • Enfin des aspects physiques et astrophysiques de la gravitation.

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