Les batteries lithium-ion, qui ont valu à leurs trois concepteurs le prix Nobel 2019 de chimie, occupent aujourd’hui le devant de la scène des technologies énergétiques mais elles ne sont pas exemptes d’inconvénients. Les projets menés par le P^r Gregory Patience et son équipe sur les procédés de production de batteries de ce type visent à répondre à des défis environnementaux et commerciaux déterminants pour l’avenir du transport électrique routier.

Tour d’horizon des technologies actuelles

Les batteries actuelles présentent des limites qui peuvent être considérées comme le talon d’Achille des véhicules électriques. Ces limites tiennent principalement au coût de revient des batteries, à leur sécurité, à leur densité d’énergie, à l’impact environnemental de leur cycle de vie et à la rareté des ressources nécessaires à leur production. Enfin, comme le souligne Gregory Patience, professeur au Département de génie chimique de Polytechnique, il faut aussi prendre en compte les conditions de travail des personnes employées à l’extraction et au traitement de ces ressources dans certains pays.

Aucune des technologies actuelles ne présente la combinaison gagnante, d’où les efforts menés par de nombreuses équipes de recherche de toute la planète pour améliorer les performances des batteries des véhicules électriques. Par exemple, les batteries à anode et cathode en plomb, avantageuses sur le plan de la puissance, pèchent du point de vue environnemental, étant donné la toxicité du plomb. Elles ont aussi une courte durée de vie. Enfin, de faible densité énergétique, elles ne fournissent pas une très grande autonomie aux véhicules.

Les batteries nickel-cadmium sont également très polluantes, sans compter leur effet mémoire contraignant. Leur avantage réside plutôt dans leur coût relativement bas. D’autres, moins polluantes, comme les batteries nickel-zinc, ont un coût de revient plus élevé, ou, comme les batteries nickel-hydrure métallique, une durée de vie courte doublée d’une tendance à s’auto-décharger. Enfin, les coûteuses technologies lithium-ion utilisant le cobalt (rare et toxique) ou le manganèse, certes performantes, présentent des problèmes d’instabilité chimique.

Une technologie cependant se distingue du point de vue de la fiabilité, du coût, de la résistance aux variations de température, de la durée de vie et de la rapidité de recharge : les batteries à cathode lithium-ion fer phosphate, ou LiFePO₄. C’est à l’amélioration de cette technologie que le Pr Patience consacre certains de ses projets, qu’il mène en collaboration avec l’Université de Montréal, la Western University of Ontario et CanMet, ainsi qu’en partenariat avec la multinationale Johnson Matthey, spécialisée dans les produits chimiques.

Procédé de synthèse par fusion

« Nous avons mis au point un processus de production qui permet de réduire le coût des batteries LiFePO₄, qui passe de 20 $ le kilo à moins de 5 $ le kilo », indique le professeur. Ce processus consiste à fondre conjointement les trois composants, puis à broyer les lingots obtenus en particules d’une centaine de nanomètres. L’ajout d’une certaine quantité de carbone au moment du broyage augmente la conductivité du système. Pour amplifier la puissance des batteries, l’équipe du P^r Patience explore l’ajout de divers métaux au mélange de base. Elle étudie également l’influence d’autres paramètres, comme la température du traitement thermique, sur les performances des batteries.

Recyclage facilité

« La fonte est un procédé bien maîtrisé par l’industrie et notre méthode de fabrication ne requiert pas de métaux d’une grande pureté, c’est pourquoi elle est peu coûteuse. En outre, elle permet un recyclage aisé des batteries : il suffit de les faire fondre à nouveau pour les réutiliser. Cette réutilisation améliore le bilan environnemental des batteries LiFePO₄, considérant l’écotoxicité du lithium et son extraction qui émet énormément de CO2 », mentionne le P^r Patience.

L’approche a déjà donné lieu au dépôt de cinq brevets. « Il faut maintenant vérifier sa viabilité à l’échelle industrielle », rapporte Gregory Patience.

Si cette approche confirme ses avantages sur les technologies industrielles actuelles, elle pourrait grandement influencer le développement du marché des véhicules électriques. « Cela répondrait à ma grande motivation en tant que chercheur en génie chimique, souligne le P^r Patience : participer à l’avènement sur le marché de technologies qui sont utiles au public. »