Les batteries lithium-ion sont essentielles pour l’électronique domestique et jouent un rôle clé dans la révolution électrique des transports. Cependant, elles ne sont pas adaptées à toutes les applications.
Un inconvénient majeur des batteries lithium-ion est leur inflammabilité et leur toxicité, ce qui les rend peu appropriées pour le stockage d’énergie à grande échelle dans les centres urbains densément peuplés ou à proximité des usines de transformation des métaux ou de fabrication de produits chimiques.
Alsym Energy a développé une alternative ininflammable et non toxique aux batteries lithium-ion pour soutenir les énergies renouvelables comme l’éolien et le solaire, permettant ainsi une utilisation plus large dans divers secteurs. Les électrodes de l’entreprise utilisent des matériaux relativement stables et abondants, et son électrolyte est principalement composé d’eau avec quelques ajouts non toxiques.
« Les énergies renouvelables sont intermittentes, il est donc nécessaire d’avoir du stockage, et pour vraiment résoudre le problème de la décarbonation, nous devons être capables de fabriquer ces batteries n’importe où à faible coût », explique Kripa Varanasi, cofondateur d’Alsym et professeur au MIT.
L’entreprise estime que ses batteries, actuellement testées par des clients potentiels du monde entier, ont un énorme potentiel pour décarboner le secteur manufacturier industriel à fortes émissions, et envisage d’autres applications allant de l’exploitation minière à l’alimentation en énergie des centres de données, des maisons et des services publics.
« Nous permettons une décarbonisation des marchés qui n’était pas possible auparavant », déclare Mukesh Chatter, co-fondateur et PDG d’Alsym. « Aucune usine chimique ou sidérurgique n’oserait installer une batterie au lithium à proximité de ses locaux en raison de son inflammabilité, et les émissions industrielles constituent un problème bien plus important que celui des voitures particulières. Avec cette approche, nous sommes en mesure d’offrir une nouvelle voie. »
Aider 1 milliard de personnes
Chatter a lancé une entreprise de télécommunications avec des entrepreneurs en série et membres de longue date de la communauté du MIT, Ray Stata ’57, SM ’58 et Alec Dingee ’52 en 1997. Depuis l’acquisition de l’entreprise en 1999, Chatter et sa femme ont lancé d’autres entreprises et investi dans certaines startups. Après avoir perdu sa mère à cause d’un cancer en 2012, Chatter a décidé qu’il voulait maximiser son impact en travaillant uniquement sur des technologies pouvant atteindre 1 milliard de personnes ou plus.
Le problème sur lequel Chatter a décidé de se concentrer était l’accès à l’électricité.
« L’objectif était d’éclairer les maisons d’au moins 1 milliard de personnes dans le monde qui soit n’avaient pas d’électricité, soit n’en avaient qu’une partie du temps, les condamnant fondamentalement à une vie de pauvreté au 19e siècle », explique Chatter. « Quand vous n’avez pas accès à l’électricité, vous n’avez pas non plus Internet, les téléphones portables, l’éducation, etc. »
Pour résoudre le problème, Chatter a décidé de financer la recherche sur un nouveau type de batterie. La batterie devait être suffisamment bon marché pour être adoptée dans des environnements à faibles ressources, suffisamment sûre pour être déployée dans des zones très fréquentées et fonctionner suffisamment bien pour prendre en charge deux ampoules, un ventilateur, un réfrigérateur et un modem Internet.
Au début, Chatter a été surpris du peu de candidats disponibles pour démarrer la recherche, même parmi les chercheurs des meilleures universités du monde.
« C’est un problème brûlant, mais le risque d’échec était si élevé que personne ne voulait prendre ce risque », se souvient Chatter.
Il a finalement trouvé ses partenaires à Varanasi, le professeur Nikhil Koratkar de l’Institut polytechnique de Rensselaer et le chercheur de Rensselaer Rahul Mukherjee. Varanasi, qui note qu’il travaille au MIT depuis 22 ans, affirme que la culture de l’Institut lui a donné la confiance nécessaire pour s’attaquer à de gros problèmes.
« Mes étudiants, postdoctorants et collègues sont une source d’inspiration pour moi », dit-il. « L’écosystème du MIT nous insuffle cette détermination à s’attaquer à des problèmes qui semblent insurmontables. »
Varanasi dirige un laboratoire interdisciplinaire au MIT dédié à la compréhension des phénomènes physicochimiques et biologiques. Ses recherches ont stimulé la création de matériaux, de dispositifs, de produits et de processus pour relever les défis des secteurs de l’énergie, de l’agriculture et d’autres secteurs, ainsi que des startups pour commercialiser ce travail.
« Travailler aux interfaces de la matière a ouvert de nombreuses nouvelles voies de recherche dans divers domaines, et le MIT m’a donné la liberté créative d’explorer, de découvrir, d’apprendre et d’appliquer ces connaissances pour résoudre des défis critiques », dit-il. « J’ai pu tirer un profit considérable de mes apprentissages alors que nous entreprenions de développer la nouvelle technologie de batterie. »
L’équipe fondatrice d’Alsym a commencé par essayer de concevoir une batterie de toutes pièces, basée sur de nouveaux matériaux pouvant correspondre aux paramètres définis par Chatter. Pour le rendre ininflammable et non toxique, les fondateurs ont voulu éviter le lithium et le cobalt.
Après avoir évalué de nombreuses compositions chimiques différentes, les fondateurs ont opté pour l’approche actuelle d’Alsym, qui a été finalisée en 2020.
Bien que la composition complète de la batterie d’Alsym soit encore secrète alors que la société attend d’obtenir des brevets, l’une des électrodes d’Alsym est principalement constituée d’oxyde de manganèse tandis que l’autre est principalement constituée d’un oxyde métallique. L’électrolyte est principalement de l’eau.
La nouvelle chimie des batteries d’Alsym présente plusieurs avantages. Étant donné que la batterie est intrinsèquement plus sûre et plus durable que le lithium-ion, l’entreprise n’a pas besoin des mêmes protections de sécurité ni des mêmes équipements de refroidissement, et elle peut regrouper ses batteries les unes à côté des autres sans craindre d’incendies ou d’explosions. Varanasi affirme également que la batterie peut être fabriquée dans n’importe quelle usine de lithium-ion actuelle avec des modifications minimes et à un coût d’exploitation nettement inférieur.
« Nous sommes très excités en ce moment », déclare Chatter. « Nous avons commencé par vouloir éclairer les foyers d’un milliard de personnes, et maintenant, en plus de l’objectif initial, nous avons une chance d’avoir un impact sur la planète entière si nous parvenons à réduire les émissions industrielles. »
Une nouvelle plateforme de stockage d’énergie
Bien que les batteries n’atteignent pas tout à fait la densité énergétique des batteries lithium-ion, Varanasi affirme qu’Alsym est la première parmi les produits chimiques alternatifs au niveau du système. Il affirme que des conteneurs de 20 pieds contenant les batteries d’Alsym peuvent fournir 1,7 mégawattheures d’électricité. Les batteries peuvent également se charger rapidement en quatre heures et peuvent être configurées pour se décharger entre deux et 110 heures.
« Nous sommes hautement configurables, et c’est important car, selon l’endroit où vous vous trouvez, vous pouvez parfois fonctionner sur deux cycles par jour avec l’énergie solaire, et en combinaison avec l’énergie éolienne, vous pourriez réellement obtenir de l’électricité 24h/24 et 7j/7 », explique Chatter. « Le besoin de stockage sur plusieurs jours ou de longue durée ne représente qu’une petite partie du marché, mais nous le soutenons également. »
Alsym fabrique des prototypes dans une petite usine à Woburn, dans le Massachusetts, depuis deux ans. Au début de cette année, elle a étendu sa capacité et commencé à envoyer des échantillons à ses clients pour des tests sur le terrain.
Outre les grands services publics, l’entreprise travaille avec des municipalités, des fabricants de générateurs et des fournisseurs d’électricité derrière le compteur pour les bâtiments résidentiels et commerciaux. L’entreprise est également en discussion avec de grands fabricants de produits chimiques et des usines de transformation des métaux pour fournir un système de stockage d’énergie afin de réduire leur empreinte carbone, ce qui, selon eux, n’était pas réalisable avec les batteries lithium-ion, en raison de leur inflammabilité, ou avec les batteries sans lithium, en raison de leurs grands besoins en espace.
Un autre domaine critique est celui des centres de données. Avec la croissance de l’IA, la demande de centres de données – et leur consommation d’énergie – va augmenter.
« Nous devons alimenter la révolution de l’IA et de la numérisation sans compromettre notre planète », déclare Varanasi, ajoutant que les batteries au lithium ne conviennent pas à la colocalisation avec les centres de données en raison des risques d’inflammabilité. « Les batteries Alsym sont bien placées pour offrir une alternative plus sûre et plus durable. L’intermittence est également un problème clé pour les électrolyseurs utilisés dans la production d’hydrogène vert et sur d’autres marchés. »
Varanasi considère Alsym comme une entreprise de plate-forme, et Chatter affirme qu’Alsym travaille déjà sur d’autres compositions chimiques de batteries qui ont des densités plus élevées et maintiennent leurs performances à des températures encore plus extrêmes.
« Lorsque vous utilisez un seul matériau dans une batterie et que le monde entier commence à l’utiliser, vous manquez de ce matériau », explique Varanasi. « Ce dont nous disposons est une plate-forme qui nous a permis non seulement de proposer une seule chimie, mais au moins trois ou quatre chimies ciblées sur différentes applications afin qu’aucun ensemble particulier de matériaux ne soit stressé en termes d’approvisionnement. »
