Recherche:Pastech/244-2 Piles et accumulateurs

La pile électrique, inventée en 1800, est un moyen de stockage d’énergie présent dans de nombreux objets du quotidien. En France, nous possédons en moyenne 47 objets contenants des piles ou batteries et 106 piles et batteries par foyer. Cette étude a été réalisée par des élèves ingénieurs de l’INSA de Lyon. Elle a pour objectif de retracer la trajectoire historique de la pile et son impact dans la société à travers divers facteurs: économique, historique, technologique, social, artistique, environnemental, etc.

Introduction

Définition

Une pile est un générateur non rechargeable (appelé aussi générateur primaire), qui permet de produire de l’énergie électrique à partir de réactions impliquant des espèces chimiques et des électrons ; il s’agit d’un générateur électrochimique d’électricité. La pile a une importance particulière dans l’activité humaine car elle permet l’utilisation autonome de moyens et d’équipements électriques ou électroniques, en fournissant de l’énergie électrique à partir d’un volume réduit et transportable de produits réactifs.

Composition

Une pile est composée de deux électrodes différentes baignant dans un électrolyte liquide ou solide. Les électrodes sont constituées d’un collecteur électronique (plaque, grille ou déployé métallique) servant de structure conductrice électronique, sur lequel est appliquée de la matière réactive, positive ou négative, appelée matière active. L’électrolyte liquide est constitué d’un sel ionisable dissous dans un solvant ou mélange de solvants adapté, pour constituer une solution ; lorsqu’il est solide, plusieurs types d’électrolytes sont possibles : soit à base de polymère dans lequel un sel ionisable est dissous ou alors de composés minéraux comportant des ions mobiles dans leur structure. Ces différents électrolytes présentent une conductivité de type ionique, laquelle peut permettre le fonctionnement d’une pile.

En pratique, l’électrolyte liquide est imbibé dans un séparateur le plus souvent poreux qui permet une séparation physique des électrodes ; cela évite ainsi les courts-circuits éventuels entre les électrodes. Par ailleurs, un électrolyte solide présente généralement une tenue mécanique suffisante pour assurer cette séparation physique par lui-même.

L’ensemble des deux électrodes et de l’électrolyte est placé dans un boîtier de forme adaptée, généralement étanche, dont la forme varie : cylindrique ou prismatique, éventuellement plus complexe dans les applications professionnelles ou militaires.

De l’Antiquité à la moitié du XXème siècle

Les débuts de l'électricité et des piles

Fascination électrique

L’invention de la pile de Volta est précédée par plusieurs siècles de fascination scientifique autour de l’électricité. En effet, cette énergie est observée depuis la préhistoire avec la foudre. De l’antiquité jusqu’à la renaissance, les scientifiques l’ont observée à travers diverses expériences :

• Il y a 2600 ans, Thalès est parvenu à attirer des brins de pailles à l’aide d’ambre, une pierre, dont le nom grec est « elektron », qui a donné son nom à l’électricité.
• Dès 1600, on savait créer des étincelles d’électricité statique en frottant de la laine et un globe de soufre.
• En 1768, la « machine de Ramsden » voit le jour, elle permet de créer de l’électricité statique en actionnant une manivelle.
• En 1786, Luigi Galvani, professeur d’anatomie italien, s’aperçoit que les muscles d’une grenouille morte tressaillent au contact de métaux et d’une étincelle produite par la machine de Ramsden. Il émet alors l’hypothèse d’une « électricité animale ».

• 
  Machine de Ramsden
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  Expérience de Galvani

La pile de Bagdad

Pile de bagdad

Il serait possible que la pile ait en fait été inventée il y a plusieurs siècles avec la découverte de « la pile de Bagdad ». Il s’agit d’un vase en argile, datant de 250 avant JC, qui contient un tube de cuivre avec un fil de fer. Selon l’hypothèse de l’archéologue Wilhelm König, ce vase aurait permis, en présence d’acide, de fournir de l’électricité. Cela aurait permis selon lui de plaquer de l’or sur des bijoux et expliquerait la qualité des dorures de l’époque. Cependant il est nécessaire, pour réaliser des dorures à l'aide d'un courant électrique, de travailler avec de l’or en solution, ce qui paraît très improbable techniquement. Cette hypothèse est donc très controversée et il est plus vraisemblable qu’il s’agisse seulement d’un vase pour entreposer du papyrus.

Les premières piles

La pile de Volta

Pila di Volta 01

La première pile électrique serait donc bien celle mise au point par Alessandro Volta le 17 mars 1800. Ce physicien italien s’intéressait aux expériences de Galvani mais pensait que l’électricité ne provenait pas de l’animal mais des métaux. Afin de démontrer son hypothèse, il empila plusieurs couples de disques zinc-cuivres séparés par des feutres imbibés d’eau salée, liquide conducteur appelé électrolyte. Cet empilement avait la propriété de produire un courant électrique continu et donna son nom à la pile. À la suite de son invention, Volta fut nommé comte par Napoléon Bonaparte, qui fit construire la pile voltaïque de l’école polytechnique, constituée de 600 disques de cuivres et de zinc. En parallèle, l’invention de la pile a entraîné une véritable émulation scientifique : de nombreux scientifiques tentèrent de nouvelles expériences et émirent des hypothèses autour de la pile.

Les grandes caractéristiques

• La tension nominale U (en Volt) : est la tension moyenne aux bornes de la batterie ou de l’accumulateur observée sur la plus grande partie de la décharge. Elle dépend de la nature des couples d’oxydo-réduction des matériaux présents.
• La capacité (en Ah) : est la quantité d’électricité que la batterie ou l’accumulateur peut fournir au cours d’une décharge complète.

On parle aussi de capacité nominale, ce qui correspond à la décharge complète à courant constant à 25°C.

• La densité énergétique (en Wh/kg ou Wh/l) : est la quantité d’énergie stockée par unité de masse ou de volume.
• La résistance interne : correspond à la somme de la résistance électrique des matières solides et de la résistance électrolytique. Elle fait chuter la tension lorsque l’intensité augmente. C’est pourquoi généralement les constructeurs cherchent à la faire la plus petite possible (5 à 50 mΩ).
• L’autodécharge (en %) : est un phénomène de décharge qui a lieu lorsque l’accumulateur n’est pas utilisé et qui est causé par des impuretés présentes dans les matériaux utilisés.
• La durée de vie : correspond au nombre de recharge possible tout en gardant la même quantité d’énergie.

Densité énergétique

La capacité d’une pile représente son aptitude à délivrer un certain courant pendant une durée donnée. Elle est généralement exprimée en ampères-heures (1Ah = 3600 C). Elle dépend des matériaux utilisés, de leur masse et du type de pile.

Nous pouvons considérer ensuite la capacité massique : il s’agit de la capacité par unité de masse, exprimée en Ah/kg.

Une autre grandeur importante pour une pile est son énergie volumique, c’est-à-dire la quantité d’énergie par unité de masse, exprimée en Wh/kg. En effet, les piles étant généralement intégrées à des dispositifs portables, leurs dimensions doivent rester modestes.

L’énergie massique théorique s’obtient en multipliant la tension initiale théorique par la capacité massique théorique, tandis que l’énergie massique pratique est obtenue en multipliant la tension moyenne lors de la décharge par la capacité massique en fin de décharge. On définit de manière similaire les énergies volumiques théorique et pratique.

Energy density

Les énergies massique et volumique des piles sont faibles comparativement aux autres formes de stockage d’énergie. C’est la principale raison pour laquelle le stockage d’énergie par batteries est relativement marginal aujourd’hui. En effet, il est bien plus efficace en termes de volume ou de masse d’utiliser un autre type de stockage.

Secondary cell energy density

La première électrolyse

Dès son invention, la pile a permis une avancée scientifique majeure : l’électrolyse. En effet, la première électrolyse a été permise en utilisant une pile. Le 2 mai 1800, quelques jours après l’invention de la pile par Alessandro Volta, William Nicholson et Sir Anthony Carlisle utilisèrent une pile pour séparer le dihydrogène et le dioxygène contenus dans l’eau. Aujourd’hui, l’électrolyse est utilisée pour produire du dihydrogène, du chlore, ou pour plaquer des objets (dorure, chromage, cuivrage).

Preuve de l’existence des ondes électromagnétiques

Heinrich Hertz prouva l’existence des ondes électromagnétiques en utilisant une batterie. Le système qu’il utilisa était composé d’un émetteur et d’un récepteur. Dans l’émetteur, une bobine d’induction, alimentée par une batterie via un interrupteur, était reliée à 2 sphères métalliques séparées par un petit espace. La fermeture de l’interrupteur faisait jaillir une étincelle entre les 2 sphères. Le récepteur était constitué d’une boucle métallique interrompue par un éclateur dont l’espace était réglable grâce à une vis micrométrique. Constatant que les étincelles de l’émetteur induisaient d’autres étincelles dans le récepteur, il prouva ainsi l'existence des ondes électromagnétiques.

Améliorations de la pile de Volta

En 1802, William Cruickshank conçut la première batterie électrique produite en série appelée pile à auge. Une batterie est un alignement de plusieurs piles « en batteries ». Les disques étaient alignés verticalement et baignaient dans une solution d’acide ce qui était bien plus simple et moins cher à produire que la pile de Volta. Le principal inconvénient de la pile voltaïque est qu’elle ne fournit pas de courant réellement constant : la tension baisse rapidement. Cela est dû à des phénomènes de polarisation tels que la formation de bulles d’hydrogènes qui augmentent la résistance de la solution électrolyte. De plus, le développement des télégraphes fait apparaître un besoin de sources stables de courant.

C’est en 1829 que le français Antoine Becquerel met au point la pile qui porte son nom. Afin de contourner les problèmes de corrosion, il sépare les électrodes de cuivre et de zinc et les fait baigner dans deux récipients séparés, reliés par un pont salin. En 1836, John Daniell reprend le principe de la pile de Becquerel mais remplace la membrane séparatrice des deux liquides, alors constituée d’une baudruche, par un vase en terre partiellement cuite, ce qui lui permet d’être poreuse. La pile Daniel, rencontre un grand succès car elle permet de produire un courant très stable.

Dans un souci d’optimisation, Leclanché invente en 1868 une pile dite « pile sèche » dont l’électrolyte est gélifié. Elle a l’avantage de ne consommer du métal que lors de son utilisation à l’inverse des autres piles, comme le dit le slogan de sa publicité « ne s'use que si l'on s'en sert ». Elle est, de plus, facilement transportable. La pile Leclanché fut beaucoup utilisée pour les sonneries, les télégraphes, les télécommandes et autres objets nécessitant peu d’intensité électrique.

Les premiers accumulateurs

Les accumulateurs d’un point de vue historique

L’objectif des scientifiques est d’augmenter les capacités des piles afin de généraliser leur utilisation dans l’industrie. En 1859, Gaston Planté réalise la première pile rechargeable au plomb, appelée accumulateur, qui est formé de deux feuilles de plombs enroulées en spirales, séparées par une toile de lin et plongées dans une solution d’acide sulfurique. Cependant, ce générateur nécessite une phase de formation longue et coûteuse. Il sera ensuite amélioré par Camille Faure en 1881 et servira dans les premières voitures électriques.

En 1899, le Suédois Waldemar Jugner met au point un accumulateur particulièrement robuste et de longue durée de vie au nickel-fer. Il fut d’une grande utilité dans des environnements contraignants tels que les mines, où il fut utilisé pour l'éclairage et la traction, ou les transports en communs souterrains (métro, chemin de fer).

Les accumulateurs d’un point de vue technique

Un accumulateur est un système de stockage d'énergie. Il en existe différents types :

• Accumulateur de chaleur
• Accumulateur hydraulique (ex : barrage)
• Accumulateur solaire
• Accumulateur électrochimique

Ce dernier étant le plus courant, le mot « accumulateur » désigne principalement l’accumulateur électrochimique. Ils produisent du courant continue, grâce à des réactions d’oxydoréduction, avec une différence de potentiel relativement faible (1V à 3V). Afin d’augmenter la tension et l’intensité, il est possible de raccorder les accumulateurs entre eux. On parle de batterie. On les brancher en série, pour augmenter la tension, et en parallèle, pour augmenter l’intensité.

Composition d’un accumulateur

• Electrode : Comme pour la pile, l’accumulateur est composé de deux électrodes : l’anode où se déroule l’oxydation et la cathode pour la réduction.
• Electrolyte : c’est une substance qui agit en tant que conducteur et permet donc la circulation des ions entre l’anode et la cathode. De plus elle joue un rôle dans les réactions chimiques relatives à la décharge.
• Séparateur : c’est un isolant, microporeux, placé entre les deux plaques, pour éviter que celles-ci se touchent, tout en permettant la circulation des ions. De plus, il doit résister aux températures élevées ainsi qu’à l’acidité présent dans l’accumulateur.

Fonctionnement d’un accumulateur

Le fonctionnement des accumulateurs est semblable à celui d’une pile. Contrairement à celle-ci, il a la capacité de se recharger, ce qui consiste à revenir à l’état initial. Cela est possible à l’aide d’un chargeur que l’on vient brancher sur le secteur. Le phénomène de recharge peut varier en fonction des différents accumulateurs. Développons le cas des accumulateurs lithium. Lors de la décharge, il y a migration des électrons de l’anode vers la cathode à travers un fils conducteur reliant les deux, créant ainsi un courant. Les ions positifs issus de cette migration sont alors attirés, par les charges négatives, de l’anode à la cathode, transféré via l’électrolyte. Lors du phénomène de recharge, le chargeur envoie des électrons dans l’anode, ce qui comme pour la décharge, attire les ions positives. Les électrons de la cathode sont eux renvoyés dans le secteur.

Usages de la pile dans les télécommunications

Le télégraphe électrique

Le télégraphe électrique a pu être développé grâce à la découverte de nombreux phénomènes scientifiques ainsi que l’invention des batteries.

En 1820, Hans Christian Oersted constate la déviation d’une aiguille magnétique par un courant électrique. La première démonstration d’un télégraphe électrique en 1832 à Saint-Pétersbourg par Paul Schilling utilise ce phénomène. Par la suite, de nombreux autres scientifiques et inventeurs proposèrent une nouvelle version du télégraphe électrique mais c’est le système développé par le peintre Samuel Morse en 1837 qui est massivement utilisé à partir de 1840. Avec l’aide d’Alfred Vail, Samuel Morse développe un système de télégraphe électrique qui utilise un code spécifique portant son nom : le morse. L’émetteur est un interrupteur alimenté par une batterie. Le récepteur est un électroaimant qui actionne l’écriture du message. Le télégraphe devient le moyen de communication le plus rapide aux États-Unis et en Europe. Ses lignes sont installées en parallèles des lignes de chemin de fer. Il joue notamment un rôle très important lors de la guerre de Sécession en permettant la communication rapide de messages entre plusieurs bataillons.

Le télégraphe sans fil

Le développement du télégraphe sans fil a été d’une grande utilité pour la sécurité en mer. C’est notamment grâce à lui que les naufragés du Titanic ont pu être secourus en 1912. À la suite de ce tragique événement, deux conférences internationales rendirent obligatoire la présence d'un équipement de télégraphie sans fil à bord de tous les navires. À partir des 1980, avec la mise en place d’un réseau international de satellites de télécommunications, la télégraphie sans fil fut abandonnée.

Le téléphone

Actor portraying Alexander Graham Bell in an AT&T promotional film (1926)

Le téléphone naît de la volonté d’améliorer le télégraphe. En 1875, Alexander Graham Bell travaillait sur un télégraphe en utilisant des courants alternatifs lorsqu'il entendit la voix de son assistant à travers un électroaimant à la suite de la soudure d’un des contacts. Dès lors, le téléphone connait une diffusion fulgurante. En 1878, ce sont des milliers de téléphones qui sont installés aux États-Unis. En 1879, 27 000 téléphones sont en service dans le monde, en 1900, 2 millions et en 2000, 1,5 milliards téléphones de toutes sortes.

Les premiers postes téléphoniques nécessitaient une batterie pour alimenter le microphone et l’utilisateur devait tourner une manivelle pour faire sonner le poste de son correspondant. Les premiers postes téléphoniques étaient connectés deux à deux. À partir de 1878, les centraux téléphoniques manuels permirent aux utilisateurs de communiquer avec n’importe quel autre poste relié. En 1889, Amon Strowger développe le premier sélecteur qui lui permet de mettre en service le premier central téléphonique automatique.

Les télécommunications et les débuts de la mondialisation

Le télégraphe a servi à instaurer la grandeur et la puissance de l’empire anglais pendant le 19eme siècle. Possédant le plus grand nombre de câbles de télégraphe, l'Angleterre est aussi le pays où la télégraphie sans fil fait ses débuts. Cette dernière permit l’intensification des flux de communications avec les navires mais aussi avec les colonies reculées non reliées par le télégraphe filaire. C’est grâce à cette capacité d’obtenir rapidement des informations que l’empire anglais a pu conserver sa suprématie sur le monde durant le 19^ème siècle.

L’utilisation du télégraphe et par la suite du téléphone, a aussi bénéficié à la suprématie des entreprises américaines. Etant détenteurs des brevets du téléphone et du télégraphe, des compagnies comme American Telephon ou Telagraph Company ce sont imposées comme les leaders mondiaux des communications. Avec le développement du téléphone eu Europe, leurs monopôles s’étend aux marchés européens et ces compagnies deviennent les principaux fournisseurs de matériels de communication dans le monde.

Le développement des télécommunications favorise aussi le développement des multinationales industrielles et tertiaires. Les communications entre différents pays pouvant maintenant s’effectuer en quelques heures, les entreprises commencent à installer des filiales à l’étranger pour pouvoir augmenter leur parts de marché et leurs bénéfices. Les télécommunications permettent aussi l’augmentation de la productivité des systèmes de productions. Les informations de direction, les nouvelles des marchés et les exploits commerciaux circulent beaucoup plus rapidement, les négociations de contrat sont plus rapides. Tout ceci permet une augmentation de la rapidité de prise de décision et ainsi une meilleure productivité des chaînes de production. De plus, les télécommunications contribuent à l’alignement des prix des marchés mondiaux et donc à la naissance de la notion de compétitivité. En permettant la circulation d’informations beaucoup plus rapides sur l’état des marchés, les coûts et prix de production dans différents endroits du monde, les télécommunications ont favorisé la concurrence mondiale. Par exemple, de 1870 à 1913, l’écart du prix du fer entre Philadelphie et Londres est passé de 85% à 19%. Le développement des télécommunications a permis une véritable mondialisation de l’économie. Devenue un atout indispensable pour la compétitivité des entreprises, les télécommunications ont révolutionné les modes de production et la valeur du travail. Avec les débuts de la concurrence internationale, c’est toute l’organisation de la chaîne de production qui est repensée pour satisfaire au plus les critères de compétitivité, à savoir produire une marchandise à des coûts les plus bas possibles tout en maintenant un niveau de qualité acceptable. Cette révolution, en parallèle avec les avancées technologiques, aboutira à la mécanisation des chaînes de production et à une modification des garanties sociales des employés qui aura pour conséquence de nombreuses revendications.

Les télécommunications ont également permis l’augmentation des flux financiers. En 1851, la première utilisation du câble reliant Londres à Paris fut pour communiquer les coûts de clôture de la bourse de Paris aux banquiers de Londres. Dès lors, les banques et investisseurs, informés par les états des marchés grâce au télégraphe, peuvent en quelques minutes décider d’investir dans n’importe quelle entreprise mondiale. Le télégraphe a permis l’explosion des investissements spéculatifs qui en 1900 constituaient près de 80% des flux de capitaux.

L’augmentation de ces divers flux a favorisé un développement déséquilibré des pays du monde, en favorisant les pays riches possédant les dernières technologies de communications.

Les premiers usages électroniques grand public (2ème moitié du XXème siècle)

Nouvelles inventions

Les piles au mercure

L’entreprise Duracell est à l’initiative de la création des piles au mercure. Son histoire commence dès le début des années 1920 avec le scientifique Samuel Ruben et un fabricant de filaments de tungstène, Philip Mallory. C'est leur collaboration qui va leur permettre de faire avancer les choses.

Samuel Ruben a révolutionné la technologie de la pile. En effet, pendant la Seconde Guerre Mondiale, il conçoit une pile au mercure assez résistante pour être utilisée dans des climats extrêmes, comme en Afrique du Nord et dans le sud du Pacifique. De plus, il a souhaité concevoir une pile qui possède une plus grande capacité dans un espace moindre. Il était à ce moment-là important de trouver une autre solution car les batteries zinc-charbon, habituellement utilisées dans les torches électriques, les détecteurs de mines et les talkies-walkies, ne pouvaient pas résister à d'aussi fortes conditions. Suite à cela, Mallory a fabriqué des millions de piles au mercure pour les armées.

Peu après, dans les années 1950, Samuel Ruben a continué d'améliorer la pile alcaline au manganèse, en la rendant plus compacte, et en prolongeant sa durée de vie, afin d'en faire la plus performante de toutes les piles fabriquées jusqu’à cette époque.

Interdiction

En 1991, le mercure est définitivement interdit dans les piles bâton. Il faudra cependant attendre près de 20 ans pour qu'enfin, depuis 2012, les fabricants n’utilisent plus de mercure dans les piles bouton.

En effet, on s’est peu à peu rendu compte de la dangerosité de ce métal : il peut causer de graves problèmes de santé (effets toxiques sur les systèmes nerveux, digestif et immunitaire, et sur les poumons, les reins, la peau et les yeux). Le mercure est considéré par l’OMS comme l’un des dix produits chimiques ou groupes de produits chimiques extrêmement préoccupants pour la santé publique.

La pile alcaline grand public

Conçue pour la première fois par l’américain Lewis Urry dans les années 1950, la pile alcaline est née de l’opposition du type d’électrolyte utilisée entre elle et la pile saline. Cette dernière nécessite une électrolyte acide. La pile alcaline amène des innovations comme la poudre de Zinc qui apporte une plus grande surface d'échange qu'une anode classique. Ainsi cela apporte notamment une plus grande autonomie à la pile. Pour en convaincre ses auditeurs, l'ingénieur Lewis procède à une course de petites voitures; l'une équipée d'une pile saline et l'autre d'une pile alcaline.

Plusieurs formats de piles alcalines sont nés afin de couvrir tous les usages de la société, anciens ou nouveaux. Ils sont maintenant devenus des standards utilisés par tous les constructeurs.

• Les piles AAAA LR61 sont très performantes malgré leur petite taille (alimentation de télécommandes, casques auditifs sans fil et certains jouets).
• Les piles AAA LR03 sont fréquemment utilisées pour des appareils qui n’ont pas besoin d’un fort apport en énergie (télécommandes, souris, horloges…).
• Les piles AA LR06 sont les plus utilisées dans le quotidien et fournissent plus de puissance pour les appareils photo, horloges, lampes de poche, manettes ou jouets électriques.
• Les piles C LR14 fournissent un fort apport en énergie aux appareils et ont une capacité plus importante.
• Les piles D Mono LR20 sont les plus massives, pour un apport d’énergie plus conséquent.
• Enfin, les piles E-Block (PP3) sont très utiles pour des appareils de sécurité (alarmes ou détecteurs de fumée).

La durée de vie des piles alcalines peut fluctuer car elle est directement liée à l'utilisation que l’on en fait. Sur des appareils consommant peu, elle peut aller jusqu’à plusieurs années.

La pile au lithium (1970)

Les recherches autour de la batterie au lithium-ion ont commencé dans les années 1970, alors en pleine crise pétrolière et suite à la découverte à cette même époque des principaux gisements de lithium. Stanley Whittingham, un britannique, conçoit une nouvelle cathode dans une batterie au lithium malheureusement trop instable pour pouvoir être commercialisée. C'est alors suite à ces premières découvertes que John Goodenough, chercheur au Texas, puis Akira Yoshino au Japon, améliorent individuellement le système jusqu'à sa commercialisation en 1991.

Pile au lithium (Li-MnO₂)

Elle est très appréciée, toujours pour des critères similaires. Selon sa conception et les matériaux utilisés, la tension qu'elle délivre varie entre 1,5 et 3,6 volts, soit plus du double de celle délivrée par les piles salines et alcalines. Sa durée de vie est jusqu’à 7 fois plus longue que celle des alcalines. Enfin, elle est encore plus compacte et légère, et plus résistante aux températures extrêmes. C’est pour cela qu’elle est aujourd’hui très répandue dans l’industrie et dans nos appareils électroniques.

Le couple lithium-manganèse (Li-MnO₂) est le plus couramment utilisé, notamment dans les piles boutons et photos, largement disponibles pour le grand public. Au contraire, le couple lithium-chlorure de thionyle (Li-SOCl₂) est réservé aux usages professionnels. En plus des piles boutons et photos (format spécifique), on trouve également dans les grandes distributions les formats classiques (AA, AAA) avec une technologie lithium-disulfure de fer (Li-FeS₂).

Ce type de batterie légère, rechargeable et puissante, a révolutionné nos vies puisqu’elle est maintenant utilisée partout ; dans les téléphones, tablettes, ordinateurs ou encore véhicules électriques.

Démocratisation des objets électriques

Grâce à l'arrivée des télévisions grand public de plus en plus importante au sein des foyers, la publicité se développe par le même temps. Tout cela habitue la société a de nouvelles mœurs, qui sont notamment l'usage de plus en plus massif des piles et batteries dans nos vies. En effet, il est dès lors très courant d'avoir des objets électriques chez soit, et c'est devenu comme une sorte de tendance. On arrive donc à la phase de démocratisation de ces objets.

Représentation de la pile

Les piles électriques sont des objets du quotidiens pratiquement invisibles car elles sont dissimulées dans l’objet qu’elles permettent d’alimenter. En effet, nous utilisons sans cesse des piles et batteries sans même s’en rendre compte : téléphones, télécommandes, jouets, montres. Elles sont si discrètes qu’elles ne suscitent guère la créativité des artistes. Il n’existe ainsi presque pas de peintures, photographies artistiques, sculptures ou récits qui mettent en avant la pile électrique, autrement que sous un point de vue technologique.

Lors de son invention, la pile électrique a cependant provoqué une grande fascination auprès de la communauté scientifique. De nombreux croquis et dessins décrivent le fonctionnement de cette invention. Un tableau représente même Volta présentant sa pile électrique à Napoléon Bonaparte mais l’auteur est demeuré inconnu.(La pile est placée au centre du tableau, en lumière, et tous les regards sont tournés vers elle.)

La fascination pour cette innovation n’a pas gagné les artistes, en revanche. La pile électrique est donc restée un objet du domaine technique.

Le rôle de la publicité

Duracell

Pourtant, malgré son caractère discret, la pile reste un objet de marketing : face à la concurrence, les marques de piles et batteries se doivent d’être créatives, afin de se démarquer auprès de la clientèle. C’est le cas par exemple de la marque Duracell qui a créé une mascotte, devenue emblème de la marque : le lapin Duracell. Ce lapin rose apparaît pour la première fois en 1973 dans une publicité Duracell, où l’on voit des dizaines de jouets lapins jouer du tambour et tomber progressivement en panne sauf un : le lapin alimenté par une pile alcaline Duracell. Avec le succès de cette pub, le lapin devient alors l’emblème de la marque. Il est en effet difficile de susciter une émotion chez le consommateur avec uniquement une pile électrique, alors qu’un lapin peut évoquer l’enfance, la douceur et peut prendre vie. Il existe ainsi une multitude de publicité dans lesquelles le lapin Duracell excelle par sa force et son endurance dans tous les sports. C’est donc à travers le lapin que Duracell affirme que ses piles électriques durent le plus longtemps. Afin de se renouveler, la marque a créé diverses campagnes publicitaires telles que « Some toys never die », inspiré de films d’horreurs tels que Annabelle. Il s’agit de mises en scène angoissantes où l’on voit des enfants se faire hanter par leurs anciens jouets alors qu’ils jouent avec des nouveaux jouets. Ces caricatures humoristiques montrent que les jouets alimentés pas des piles Duracell ne « meurent jamais ». Afin de réaliser ces publicités, la marque a collaboré avec Grey, une agence spécialisée dans la production de publicités originales. Chaque détail est donc réfléchi pour mettre en valeur les piles Duracell et marquer l’esprit du consommateur. Par exemple, la lumière éclaire uniquement les anciens jouets afin de les rendre plus menaçants.

Energizer

Le succès du lapin Duracell est tel qu’il attire la convoitise des autres marques. Ainsi, en 1989, l’entreprise Energizer profite d’un oubli de renouvellement des droits d’utilisation du « lapin rose » pour créer son propre lapin et d’en faire sa mascotte. La première publicité d’Energizer est une reprise de celle de Duracell, mais cette fois-ci le lapin d’Energizer s’invite à la « compétition de durabilité » et dépasse les autres. La marque rivale de Duracell tente de se différencier de cette dernière avec un lapin ayant une attitude plus « cool » et désinvolte. Symbole de la rivalité entre les deux marques : le méchant « Supervolt » inventé par Energizer qui tentera par tous les moyens de détruire le lapin Energizer, sans succès, et qui est une allusion au lapin concurrent, Duracell. Si le lapin Energizer s’est affirmé aux États-Unis, c’est celui de Duracell qui est resté plus célèbre en Europe.

Réflexions sur un changement de paradigme

Au vu des marchés des piles et batteries grandissants, pouvons-nous dire que le XXIème siècle nous amène vers un nouveau paradigme ? Commençons par définir le mot paradigme. En philosophie et en sociologie, il s’agit en fait de ce à quoi on se réfère. C’est un ensemble de pratiques, souvent dues à de nouvelles innovations, qui peut servir de modèle. Ce modèle concret guide généralement une activité humaine et lui sert de repère. L’expression « changement de paradigme » correspond donc à un bousculement de la société en profondeur, c’est-à-dire qu’il va non seulement impacter le microcosme autour, mais aussi les habitudes et mentalités d’une population à large échelle, voire l’environnement même.

La question est la suivante : les piles et les batteries nous amènent-elles à un changement de paradigme ?

Leur invention eut un fort impact dans nos vies, et ce dès le XXème siècle. Elles ont un objectif commun : faciliter la vie de l’Homme en miniaturisant le stockage d’énergie, mais elles restent la partie cachée de l’iceberg, l’objet final étant la partie visible. Grâce à la pile, nous gagnons en autonomie et il est aujourd’hui possible et très courant de se déplacer avec de l’énergie sur soi-même, et ce n’importe quel soit le lieu. Cela contribue fortement à notre liberté. Nous allons nous appuyer sur des exemples majoritairement récents, c'est-à-dire développés dans notre siècle à nous.

Actuellement, il est possible de sortir de chez soi tout en continuant ses activités si l’on en avait entamé (écouter de la musique, poursuivre un appel téléphonique, etc.). Les batteries qui sont à l’origine de nombreux produits high-tech récents tels que les téléphones, tablettes ou encore ordinateurs, permettent de maintenir le contact pendant les vacances par exemple, que ce soit avec les proches ou bien dans un cadre professionnel. Dans un monde qui bouge de plus en plus, il est de nos jours quasiment primordial de pouvoir communiquer avec ses collègues, clients, professeurs, et ce même si l’on se trouve sur une plage à l’autre bout du monde. Il y a d’ailleurs plusieurs métiers qui auraient beaucoup de mal aujourd’hui sans indépendance énergétique, majoritairement sans les téléphones portables. Comment faire pour communiquer si l’on ne travaille pas dans une endroit fixe ? En effet, les gens travaillant à domicile par exemple (infirmiers(ères), hommes/femmes de ménages…) ont besoin d’échanger avec leurs clients, pour confirmer ou annuler un rendez-vous à la dernière minute par exemple. Ainsi l’Homme s’est créé une réelle dépendance face à ces nouveaux objets. Il est en effet facile de l’observer lorsque l'on se balade dans la rue : les gens regardent leurs pieds, ou plutôt leur téléphone ou montre connectée pour prendre des photos, chatter sur les réseaux sociaux, etc. Dans plusieurs pays comme dans le Royaume-Uni, les trottoirs ont depuis été adaptés puisque de simples marquages au sol permettent maintenant de voir si l’on arrive à une intersection (passage piéton) ou non. Aux Pays-Bas, la ville de Bodegraven teste actuellement un nouveau dispositif : une ligne de LED à l’arrivée de chaque passage piéton.

Groupe de jeunes sur leur smartphone

Le traitement de l’information a pris un tournant inédit. En seulement quelques minutes, une actualité venant d’un coin de la Terre peut être relayée dans le monde entier. Les smartphones, avec l’arrivée des réseaux sociaux et nouveaux moyens de communication, permettent de garder un lien constant sur l’information en temps réel.

Ces innovations ont bien changé les mentalités et habitudes humaines. En plus d’un réel gain de temps et de liberté, la fainéantise est l’une des autres conséquences sur notre comportement. La pile qui se trouve dans toutes nos smartphones, télécommandes, manettes de jeu, produits ménagers (…), ne facilite en ce sens pas notre activité au sein du foyer. On a donc un Homme qui devient de plus en plus dépendant de la nouvelle technologie, et ce sur différents points. Tout ceci n’était évidemment pas encore le cas quelques décennies auparavant, ce qui prouve bien qu’il y a eu un changement.

Cette transition s’accompagne d’autres innovations issues du même principe de stockage d’énergie, mais qui peuvent nécessiter un peu plus de temps pour être réellement adoptées par tous. C’est le cas des voitures électriques. Les gens, attachés aux voitures à moteur thermique, réalisent petit à petit leur impact, et se tournent pour cela de plus en plus vers des solutions éco-responsables. Toutefois, ces changements d’habitudes entraînent de nouveaux réaménagements, tout comme dans les parkings et dans certaines rues avec l’installation de prises pour les véhicules électriques.

De manière analogue, on peut observer l’installation de plus en plus fréquente de prises électriques dans les gares et aéroports par exemple, notamment dans les salles d’attente, dans le but de permettre aux clients de recharger leurs appareils électroniques à n’importe quel moment de la journée. Ainsi, on peut voir que ces nouveaux produits high-tech nous impactent non seulement nous, mais aussi notre environnement : il s’agit de repenser et remoderniser nos infrastructures.

Il ne faut pas oublier que tous ces changements proviennent de mêmes innovations : celles des piles et batteries. Selon la définition donnée par Universalis, nous pouvons donc bel et bien parler d’un « changement de paradigme ».

Nouveaux usages massifs et enjeux des piles et accumulateurs : mobilité électrique, EnR intermittentes et internet des objets (XXIème)

Les piles électriques aujourd’hui : une utilisation massive

Définition actuelle des Piles et Accumulateurs (PA)

En France, nous distinguons trois types de piles et accumulateurs. Le premier sont les portables : « est considéré comme pile ou accumulateur portable toute pile, pile bouton, assemblage en batterie ou accumulateur qui est scellé et susceptible d’être porté à la main et qui n’est, par ailleurs, ni une pile ou un accumulateur industriel, ni une pile ou un accumulateur automobile ». Le deuxième sont les PA automobiles : «  toute pile ou accumulateur destiné à alimenter un système de démarrage, d’éclairage ou d’allumage automobile ». Enfin, nous trouvons ceux destinés à l’industrie : «toute pile ou accumulateur conçu à des fins exclusivement industrielles ou professionnelles ou utilisé dans tout type de véhicule électrique » .

Des usages diversifiés

Aujourd’hui, les piles et accumulateurs sont présents dans de nombreux objets de notre quotidien.

• Les piles au lithium sont principalement utilisées dans les stimulateurs cardiaques, les calculatrices et les étiquettes électroniques.
• Les piles salines et alcalines sont utilisées dans les télécommandes, les réveils, les jouets.
• Les accumulateurs au Nickel Cadmium sont utilisés dans certains véhicules électriques et systèmes électriques aéronautiques et ferroviaires.
• Les accumulateurs Nickel métal sont utilisés dans les téléphones portables, les téléphones fixes, les terminaux de paiement.
• Les accumulateurs plomb sont utilisés dans les batteries de démarrage des véhicules à moteur thermique.
• Les accumulateurs lithium sont utilisés dans les ordinateurs portables, les GPS, les téléphones portables, la radiocommunication (applications militaires).

Les objets connectés et la surconsommation de batteries

Le 21ème siècle est l’ère de la mobilité. La spécification des appareils de communications à totalement bouleversé notre quotidien : appareil photo, agenda, calculatrice, bloc-note, télévision tiennent désormais dans notre poche. Partout autour de nous, dans les magasins, dans nos maisons, les objets perdent leur fils et se connectent à internet. Ecouteurs, aspirateurs, ordinateurs, lampes, tous ces objets avant branchés deviennent portatifs pour s’adapter à notre mobilité. Ainsi, depuis le début du 21ème siècle, l’utilisation de piles et d’accumulateurs a considérablement augmenté. En 1991, quand le Bi-Bop, le premier téléphone mobile destiné à la mobilité est commercialisé en France, le taux de pénétration du téléphone mobile n’était que de 0.6%. En 2007 avec la sortie du premier Iphone d’Apple, il est de 51%. En 2014 il y a 7,175 milliards d’habitants sur Terre et 6.915 milliards d’abonnements téléphoniques. Le taux de pénétration globale du téléphone est de 96% (avec des disparités dans le monde : taux de 126% en Europe, 89% Asie Pacifique). En 2018 le taux de pénétration du téléphone passe à 102% en Asie Pacifique et est de82% en Afrique. En 2020 près de 50 milliards d’objets intelligents seront connectés à internet. Cette consommation excessive de ces objets entraine une production accrue de batteries de plus en plus performantes.

Éléments de stockage

Les batteries peuvent servir d'éléments de stockage d’énergie électrique.

Le rôle historique du stockage de l’électricité est d'emmagasiner un surplus énergétique pour le restituer lors de périodes de plus fortes demandes et ainsi ne pas augmenter la production. Il a aussi pour objectifs de compenser les irrégularités de production et de sécuriser l’approvisionnement énergétique d’un pays. Le stockage de l’électricité est intéressant pour un pays si les économies réalisées sur sa production sont supérieures aux coûts d’utilisation du stockage. En France, les moyens de production d’électricité permettent de stocker une électricité peu chère et peu carbonée qui peut par la suite être restituée en période de forte consommation.

Les principales technologies de stockage existantes sont les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage par air comprimé, le stockage par hydrogène, les volants d’inertie et les batteries. En 2014, les STEP représentaient dans le monde une capacité de stockage de 140 000 MW contre 536 MW pour tous les autres types d’accumulateurs confondus.

Le stockage par batteries est donc très peu utilisé et fait toujours l’objet d’études. Le coût par kW/an pour le stockage par batteries est de 300€ contre moins de 50€ pour les STEP. Cependant des projets de stockage par batteries sont en cours de développement. En France, l’entreprise Total va construire à Dunkerque un site de stockage d’électricité par batteries de 25 MW dès 2020. Ce projet a gagné l’appel d’offre de RTE (gestionnaire du réseau haute tension) pour développer des nouvelles capacités de stockage. Le site utilisera des accumulateurs lithium-ion.

Les batteries domestiques

Un autre usage moderne de la batterie est la batterie domestique. Les batteries électriques sont utilisées par les particuliers pour stocker leur production énergétique surtout dans le cas de la production d’électricité par panneaux photovoltaïques. Chaque année en France, le surplus énergétique gâché estimé est compris entre 44 et 91 TWh. Les batteries électriques domestiques peuvent également devenir une voie de recyclage des batteries de véhicules électriques. Après 8 à 10 ans d’utilisation dans un véhicule, une batterie peut encore être utilisée 5 ans comme batterie de stockage domestique. Plusieurs grandes compagnies ont déjà développé des modèles de batteries domestiques : Tesla a sorti Powerwall en 2015, Nissan vend depuis 2017 Storage Home conçu à partir de batteries de Nissan Leaf recyclées. La compagnie Powervault a, quant à elle, développé un partenariat avec Renault pour recycler ses batteries électriques et proposer des solutions de stockage.

Marchés

En 2018, le marché mondial des batteries électriques représentait 80 milliards de dollars. Au sein de ce marché, les batteries au plomb représentaient 40 milliards de dollars et les batteries lithium-ion 37,5 milliards de dollars. Ce marché est en constante augmentation. Depuis 2010 il croit de 9% chaque année. La production mondiale en 2018 s’élevait à 420 GWh pour les batteries plombs et à 160 GWh pour les batteries lithium ion. Mais la production des batteries est inégalement répartie. En 2018, moins de 3% de la production de batteries lithium ion était produite en dehors des pays suivants : Chine, Japon, Corée du Sud. Les 6 principaux acheteurs de batteries sont Samsung SDI, Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL et BYD, ils représentent 45% des achats de batteries.

Le marché des piles et batteries en France

Le nombre d’acteurs inscrits dans le registre national de piles et accumulateurs ne cesse d’augmenter. En 2009, le registre de l’ADEME comptait 1221 producteurs inscrits dont 788 producteurs de piles et accumulateurs portables et 113 de PA automobiles. En 2012, la barre des mille producteurs de PA portables est franchie avec 1217 producteurs inscrits dans le registre. En 2016 c’est la barre des 2000 producteurs inscrits qui est franchie.

En 2018, 2310 producteurs de piles ou accumulateurs se sont inscrits au registre de l’ADEME. Ils ont mis sur le marché tous types de piles et accumulateurs confondus 1434 millions d’unités ce qui représente 252 091 tonnes. Sur ces 1434 millions d’unités :

• 1405 millions correspondent à des piles ou accumulateurs portables (ce qui représente 31 426 tonnes). Parmi ces piles et accumulateurs portables, 60% des piles étaient des piles alcalines et 25% des accumulateurs des accumulateurs lithium.
• 8.7 millions correspondent à des accumulateurs automobiles (soit 134 076 tonnes) doit la majorité sont des accumulateurs au plomb. Sont considérés comme accumulateurs automobiles les accumulateurs destinés à l’alimentation des systèmes de démarrage, d’éclairage ou d’allumage)
• 20.2 millions correspondent à des piles ou accumulateurs industriels (soit 86 769 tonnes), où les accumulateurs au plomb représentent 81% et les accumulateurs lithium 15% ( accumulateurs utilisé dans l’industrie ou dans les véhicules électriques)

Depuis le début du 21^èmesiècle, le nombre de piles et d'accumulateurs mis sur le marché français ne fait qu'augmenter. Cette constante augmentation est le reflet de l'explosion de l'utilisation d'objets connectés nécessitant des piles et des batteries pour fonctionner.

Conséquence de l’augmentation de la consommation de batteries dans le monde : les gigafactories

Une des conséquences de l’augmentation de l’utilisation des batteries et plus particulièrement des batteries lithium-ion est la construction de gigafactories, des usines de production géantes qui ont pour objectif de réduire les coûts de production des batteries. En 2018 c’est 70 projets de gigafactories qui ont vues le jour dont 46 en Chine.

La Tesla Giga Nevada est une gigafactory de Tesla implémentée dans le Nevada. La structure occupe une surface au sol de 18 000 m² qui pourrait abriter 492 000 m² d’installations opérationnelles sur plusieurs niveaux. Cette gigafactory réduit les coûts de production de la batterie Powerwall de 30% et a produit 250 000 packs de batteries en 2018. Tesla a aussi construit des gigafactory à Buffalo, à Shanghai et prévoit dans construire une à Berlin.

Une initiative pour développer la production de batteries en Europe : l’Alliance Européenne de la Batterie

L’Alliance Européenne de la Batterie est un projet mis en place par la Commission Européenne en octobre 2017 ayant pour but de développer le secteur de la production de batteries en Europe. Cette alliance souhaite ainsi construire une chaîne de valeur des batteries en Europe de l’extraction des matières premières à la production d’accumulateurs tout en prenant en compte leurs réutilisation et leur recyclage. La commission a par ailleurs voté un plan d’action stratégique pour les batteries en mai 2018. Ce plan a pour objectifs de :

• Garantir l’accès aux matières premières nécessaires à la production de piles et batteries provenant de pays hors UE et aider à l’accès des ressources des pays de l’UE, que ce soit des ressources primaires (issues de l’extraction) ou secondaires (issues d’une économie circulaire (recyclage))
• Créer une chaîne de production concurrentielle en Europe, pour cela l’Alliance est composée des principaux acteurs industriels, des autorités nationales des pays de l’UE et de la Banque Européenne d’Investissement
• Soutenir la recherche et l’innovation
• Développer une main d’œuvre hautement qualifiée pour toute la chaîne de valeur et rendre l’Europe attrayante pour les experts du domaine des piles et batteries
• Réduire l’empreinte environnementale de la production de piles et de batteries
• Assurer la cohérence avec les réglementations européennes

Matériaux et conflits sociaux

Les matériaux

Les différentes technologies de piles et de batteries sont composées de nombreux matériaux dont la plupart sont issu de minerais.

Les matériaux composant la cathode d’une batterie représentent 60 à 80% des coûts de production.

Le prix des matériaux composant une batterie a considérablement chuté depuis 2010, il est passé de 400 dollars par KWh à 150 en 2018.

On attribue aux matériaux un niveau de criticité. La criticité est une variable du temps qui s’exprime selon 2 axes : les risques d’approvisionnement et l’importance économique. L’impact économique d’un matériau est obtenue en analysant l’évolution du prix du matériau en cas de diminution importante de l’approvisionnement. Les risques d’approvisionnement sont évalués sur toute la chaîne de valeur d’un matériau, de son extraction à la production et commercialisation d’un produit. Pour les métaux, trois stades de criticité sont définis :

Criticité du cobalt et du lithium

• Les métaux critiques : métaux pouvant avoir des impacts industriels ou économiques négatifs en cas d’approvisionnement difficile.
• Les métaux stratégiques : métaux indispensables aux politiques économiques, énergétiques ou militaires d’un état.
• Les métaux rares : métaux dont la disponibilité est très faible dans la croûte terrestre (par exemple, le cérium représente 48 ppm de la croûte terrestre).
  

Le lithium

Lithium mine, Salar del Hombre Muerto, Argentina

Les réserves mondiales de lithium sont estimées à 10 à 30 millions de tonnes. La moitié des réserves de lithium se trouve en Amérique du Sud mais c’est la Chine qui possède la majorité des usines de raffinage de lithium dans le monde. Les réserves de lithium se trouvent principalement dans des salars ou dans des minéraux lithinifères. Les salars sont des grands lacs salés partiellement asséchés. Ils contiennent environ 60 % des ressources mondiales en lithium et correspondent aux 2/3 de la production actuelle de carbonate de lithium. Les minéraux lithinifères se retrouvent dans des pegmatites et coupoles granitiques. Ces gisements correspondent à environ 26% des ressources mondiales identifiées et 1/3 de la production. 43 000 tonnes de lithium ont été extraites en 2018. Le prix de vente du lithium est déterminé par les entreprises, il n’existe pas de bourse pour le lithium. Les principaux pays producteurs de lithium sont l’Australie (qui a produit 14 100 tonnes en 2019), le Chili (11 500 tonnes), l’Argentine (3600 tonnes) et la Chine (2 300 tonnes). Le prix du lithium est resté stable de 1970 à 1990. À partir de 1997 et avec l’extraction de lithium à partir des salars, le lithium est désormais principalement vendu sous forme de carbonate de lithium. La société chilienne SQM (Sociedad Quimica Minera) est devenue leader du marché et a fait chuter les coûts d’extraction.

En 2015, 40% de la production de carbonate de lithium fut utilisée pour produire des batteries Li-ion. Le recyclage du lithium n’est pas encore considéré comme viable économiquement car les coûts de recyclages sont élevés et la réserves mondiales sont importantes par rapport à d’autres matériaux. En 2002, le prix du lithium était de 1 600 dollars la tonne et en 2018 il était de 16 500 dollars la tonne. Le prix du carbonate de lithium a aussi augmenté, de 5180 dollars la tonne en 2010 à 7 400 dollars en 2016. Les réserves en lithium sont estimées à 372 ans avec les niveaux de consommation actuels.

En 2007, sur les 3 365 tonnes de lithium qui ont été utilisées pour fabriquer des batteries lithium, 1 230 tonnes étaient destinées aux téléphones mobiles, 1165 tonnes aux ordinateurs portables, 225 tonnes aux véhicules électriques, 70 tonnes pour les consoles de jeu et 70 tonnes pour les baladeurs audio. Le reste était destiné aux appareils photos et aux outils sans fils.

Salar d'Uyuni

Controverses et polémiques liées à l'extraction du lithium

Pyramides de sel dans le salar d'Uyuni

Le lithium est un métal alcalin et comme beaucoup d’autres ressources naturelles ses réserves sont réparties de manière très hétérogène à travers le monde. L’extraction de ce métal essentiel à l’amélioration des accumulateurs peut poser problème, que ce soit d'un point de vue social ou environnemental. Les principaux gisements se situent dans le cône sud du continent latino-américain, en Argentine, au Chili et surtout en Bolivie. C’est justement dans ce pays que l’exploitation de ce métal fait beaucoup parler, pour ses impacts environnementaux et sociaux. Les réserves boliviennes de lithium se situent sous le salar d’Uyuni, le plus grand désert de sel du monde, à plus de 3 600 mètres d’altitude. Cette région de la Bolivie, qui avait autrefois comme seule activité le tourisme, est aujourd’hui le cœur de l’exploitation du lithium. La planète compte peu de salars, sites privilégiés de l’exploitation du lithium. On évalue que sous les terres arides du salar d’Uyuni se situent près de 40% du stock mondial de la planète.

Ce minerai, considéré comme le « nouvel or blanc », est l’un des plus stratégiques et importants du XXIème siècle. Sa demande mondiale augmente de 15-20% tout les ans, en particulier pour suppléer au besoin croissant lié à la croissante production de voitures électriques. Selon les estimations, il y aura dans le monde 260 millions de voitures électriques dans le monde d’ici 2040, contre 4 millions actuellement. Chaque smartphone contient 2 à 3 grammes de lithium, un véhicule jusqu’à 10 000 fois plus. Cette évolution provoque l’augmentation effrénée des prix qui ont quadruplés en trois ans jusqu’à atteindre les 20 000 dollars la tonne. Cette richesse unique est une occasion pour les pays les plus pauvres d’Amérique du Sud de se procurer une nouvelle source de revenus. Seulement, en Bolivie, le pays le plus pauvre, le projet de production du lithium pose problème et actuellement la Bolivie n'est pas concurrentielle.

Les conditions d’exploitation sont naturellement plus complexes en Bolivie qu’au Chili ou en Argentine, principaux concurrents du pays. Mais la nature n’est pas la seule fautive, l’aspect politique complique aussi beaucoup l’exploitation. Le président socialiste Evo Morales, élu pour la première fois en 2006 et renversé suite à des révoltes dans le pays au mois de novembre 2019, avait fait du lithium une bataille politique. Dans un gouvernement socialiste il était hors de question de voir de grandes multinationales étrangères venir profiter des richesses naturelles du pays, comme cela avait déjà était le cas au XVII-XVIIIème siècle par les conquistadores espagnols. Alors que le Chili et l’Argentine se sont largement ouverts au capital et aux entreprises étrangères, la Bolivie a décidé de confier le projet à l’Etat, à travers la création de l’entreprise publique Yacimentos de Litio Bolivianos (YLB) en 2008. Cependant depuis cette date le projet patine, la production augmente lentement et le pays est largement dépassé par ses concurrents voisins. Alors que le monde se demande si le salar d’Uyuni tiendra un jour ses promesses, l’Etat bolivien a déboursé près d’un milliard d’euros pour construire son usine pilote Llipi. Alors que les objectifs du gouvernement étaient d’avoir fin 2020 une capacité de production de 15 000 tonnes par an, les résultats ne sont pas au rendez-vous. Entre 2013 et 2018 la production a été de 85 tonnes par an, soit 3% des résultats attendus. Le gouvernement a du se rendre à l’évidence et a signé fin 2018 un accord de coopération avec une entreprise allemande. Cette aide extérieure devrait apporter de l’expérience et la technique nécessaire au développement du projet.

En plus de ces enjeux politiques la production de lithium soulève d’autres problématiques, environnementales et sociales. En effet, la production de Lithium exige de très grandes quantités d’eau : en fonction des installations et du rendement du processus on trouve des quantités entre 41 et 1 900 m³ d’eau pour une tonne de lithium produite. Cette consommation d’eau massive dans une région déjà désertique (pas de tombée de pluie de mars à décembre) pose problème, elle assèche les cours d’eau (le Rio Guapay qui traverse la région est pratiquement à sec) et a ainsi un fort impact sur l’agriculture de la région. Les premiers touchés sont les producteurs de quinoa, une céréale à la base de l’alimentation dans la région andine. Face à cette menace les communautés indiennes de la région se sont alliées à des associations et des ONG de protection de l’environnement pour obtenir une faible indemnisation. L’écosystème du salar, déjà naturellement vulnérable, se verra sans aucun doute encore plus fragilisé. En effet, le gouvernement n’a pas l’intention de s’arrêter là, c’est tout le désert qu’il veut exploiter.

C’est là le paradoxe du lithium, minerai essentiel au développement des batteries et donc des voitures électriques, qui devraient être les voitures propres de demain, son exploitation provoque de grands impacts sur les populations des salars et sur l’écosystème de ces derniers.

Le cobalt

Les demandes en cobalt ont augmenté de 3% par an depuis 2010 à cause de l’augmentation de la vente de véhicules électriques. Cette demande à un impact sur son prix, il a été multiplié par 4 en 2 ans (aujourd’hui 91 000 dollars la tonne). L’augmentation de ce prix a poussé les industriels à réduire la quantité de cobalt nécessaire dans les batteries électriques. Les batteries lithium-ion avaient auparavant un ratio 1-1-1 en nickel, manganèse et cobalt mais les constructeurs ont réduit la part de cobalt dans la cathode en le remplaçant par plus de nickel. Cette recomposition pourrait à son tour avoir des effets sur le marché du nickel. Les principaux pays producteurs de nickel sont les Philippines, la Russie, le Canada et Australie. Pour l’instant le prix du nickel a tendance à diminuer, il est passé de 29 000 dollars la tonne en 2011 à 14 500 dollars la tonne en 2018.

Les réserves en cobalt estimées en 2017 étaient de 75 ans avec le niveau de consommation de 2016. Aucun nouveau gisement n’a été découvert ces 20 dernières années.

Le non respect des droits de l’homme dans les mines de cobalt en République démocratique du Congo

Une des conséquences de la production de piles et d’accumulateurs et plus particulièrement de l’extraction du cobalt est l’exploitation d’adultes et d’enfants dans les mines « artisanales » en République Démocratique du Congo. Le cobalt est extrait à 60% en République Démocratique du Congo, un des pays les plus pauvres du monde. On estime à 100 000 le nombre de mineurs clandestins travaillant dans les mines artisanales en RDC. Environ 20% du cobalt extrait par ce pays provient de mines artisanales. Les personnes travaillant dans ces mines passent des heures en contact avec du cobalt et inhalent une quantité importante de poussière de cobalt qui peut provoquer des infections pulmonaires graves. Les mineurs ne possèdent souvent aucun équipement de protection. En plus de creuser, les mineurs doivent également porter de lourdes charges ce qui peut provoquer des problèmes de dos. Certaines femmes doivent porter des sacs de plus de 50kg toute la journée. Les mineurs sont parfois des enfants qui travaillent également toute la journée, ou après l’école pour ceux toujours scolarisés. Comme leur confrères adultes, ils ne portent aucune protection et peuvent travailler jusqu’à 24h sans pause en portant des charges lourdes. Il est estimé que 40 000 enfants travaillent dans des mines d’extraction de cobalt en RDC. Les tunnels des mines sont creusés à la main et ne sont ni consolidés, ni ventilés ce qui engendre de nombreux effondrements de tunnels. En septembre 2015, un effondrement de tunnel a tué 13 mineurs.

Plusieurs rapports d'Amnesty International pointent du doigt la non action des grandes entreprises produisant des batteries électriques pour smartphones ou voitures électriques au regards des pratiques illégales d'extraction du cobalt en République Démocratique du Congo.

Autres composants

L’anode d’une batterie est composée de graphites naturels et synthétiques. En 2014, sur les 633 000 tonnes de graphite naturel extraites, 420 000 provenaient de la Chine

Impact des métaux sur l'environnement

Les piles utilisent différents types de métaux (cf aspect technique) pour fabriquer les deux électrodes, l’anode et la cathode. Le processus qui permet de transformer l’énergie chimique en énergie électrique grâce à des réactions oxydo-réductrice est plus efficace lorsqu’on utilise des métaux lourds. Or ces matériaux s’avèrent être particulièrement dangereux pour la santé et peuvent polluer l’environnement une fois le cycle de vie de la pile terminé si un processus de recyclage adéquat n’est pas mis en place.

Chaque année environ 600 millions de piles et accumulateurs sont vendus en France, soit environ 25 000 tonnes. Bien que les accumulateurs puissent aussi avoir des effets négatifs sur la santé et l’environnement, ce sont bien les piles (à usage unique) qui ont l’impact le plus direct. La pile en soit ne représente aucun danger direct pour l’usager, ce sont certains des matériaux qu’elle contient qui peuvent être dangereux pour la santé et l’environnement. Ces dangers apparaissent une fois la pile utilisée, au moment de l’élimination sous forme de déchets. En effet, s’ils ne sont pas bien triés et recyclés, ils peuvent se retrouver dans les fumées (en cas d’incinération) ou dans les sols (en cas de mise en décharge). Parmi les métaux dangereux qui constituent les piles on retrouve le mercure, le plomb et le cadmium. Bien que des législations existent pour tenter de limiter la présence de ces métaux dans les piles, il continue à en y avoir et cela représente un danger.

Tous ces métaux existent dans la nature, mais leur utilisation par l’homme va déséquilibrer leur cycle naturel. Ces matériaux polluent principalement à travers la combustion de déchets solides comme les piles. Les particules les plus grandes et les plus lourdes retombent immédiatement à la surface, en contaminant les eaux et les sols. L’un des exemples les plus marquants est celui de l’empoisonnement des organismes aquatiques : les poissons et crustacés peuvent absorber des quantités importantes de ces métaux qui restent à l’intérieur de leurs organismes sans être détruit. C’est ainsi que le plomb ou le mercure polluent des chaînes alimentaires entières et peuvent finir dans nos assiettes.

En plus des impacts des métaux sur l’environnement lors de l’élimination des piles en fin de vie il existe un autre impact de ces matériaux, lié à leur extraction. En effet, des métaux tels que le Lithium, essentiel pour la conception de batteries LI-ion (présentes dans les voitures électriques Tesla par exemple), demandent de grandes quantités d’eau lors de leur extraction. Or ces métaux se trouvent principalement sous les Salars (Cf : Controverses liées à l’extraction du Lithium), régions déjà naturellement arides, leur extraction va renforcer la sécheresse et affaiblir des écosystèmes déjà fragiles.

Cas particulier du Mercure

Parmi les éléments dangereux présents dans les piles le cas du mercure est encore plus spécial. En effet, en plus de ces impacts néfastes sur la santé et l’environnement s’il n’est pas bien recyclé et valorisé, il est une contrainte au recyclage et revalorisation des autres piles. Les piles à mercures ne peuvent pas être recycler par les mêmes procédées que les piles à base d’autres métaux (zinc, plomb, cuivre, entre autres). Ces dernières sont recyclées grâce à des processus de pyrométallurgie ou hydrométallurgie (Cf partie recyclage). Cependant les piles à mercure ou à plomb ne peuvent pas subir ce genre de procédées, il existe pour ce genre de piles d’autres types de procédées : la distillation et la fusion, respectivement pour les piles à mercure et à plomb. C’est pour cela qu’un tri en amont efficace est l’une des clés de la revalorisation des métaux contenues dans les piles.

Etude de Cas: exemple de la voiture électrique

La voiture électrique, un succès long à venir

Jamais contente

Les premiers véhicules électriques se développent après l’invention de la batterie au plomb par Gaston Planté en 1859. Dès lors, les véhicules électriques côtoient les véhicules thermiques dans les rues d’Europe et des États-Unis du 19ème siècle. Ces véhicules étaient principalement des taxis. En 1899, c’est un véhicule électrique, la "jamais contente", qui dépasse pour la première fois les 100 km/h. Le succès de la voiture électrique fut moindre puisqu'au 20ème siècle, la voiture à essence finit par supplanter la voiture électrique. Malgré des décennies d'imagination, les véhicules électriques durables n'ont été vraiment développés que dans les années 1990. En effet, c'est suite aux progrès techniques, aux problématiques environnementales et aux pressions croissantes sur les ressources en pétrole, que la voiture électrique refait surface sur le marché automobile.

Renault Zoom

Par exemple, en 1990, la Californie a voté pour des véhicules zéro émission (ZEV). Le projet exige que, d'ici 1998, chaque constructeur inclut 2% de voitures vertes dans son volume de vente pour commercialiser d'autres voitures. Tous les grands constructeurs se sont ainsi mobilisés pour lancer des modèles de voitures écologiques.

En France, les choses bougent dans le même temps. Au début des années 1990, les constructeurs ont produit des prototypes de diverses voitures écologiques. Renault teste la micro-citadine Zoom en 1992. Depuis, la France voit naître de nombreux modèles aux alentours de 1995 comme la Next, la Citroën AX électrique, et la Clio électrique. On croit de nouveau au succès et à une croissance massive du véhicule électrique. Mais l'échec commercial des modèles électriques est principalement dû à cause de leur faible autonomie et le développement a été abandonné. Les constructeurs ne croient dès lors plus aux voitures 100% électriques.

Aujourd'hui, grâce à un besoin toujours plus important ainsi qu’à des techniques de plus en plus performantes, le véhicule électrique est devenu un besoin et une réalité. Les principaux constructeurs automobiles, à l'image de Renault avec la ZOE en 2013, ont développé des modèles 100% électriques. Les installations de bornes de recharge sont aujourd'hui de plus en plus nombreuses, symboles de croissance du phénomène.

Les batteries dans le secteur automobile

Aujourd’hui, les véhicules électriques représentent un secteur d’avenir envisagé pour décarboner les transports. Il existe 3 catégories de véhicules nécessitant une batterie électrique : les EV, les HEV et les PHEV:

• Les EV (Electric Vehicle)sont des véhicules composés d’un moteur exclusivement électrique. Les batteries sont souvent des Li-ion ou des Li-métal polymère. Ces batteries doivent être rechargées sur secteur ou sur des bornes rechargeables. L’autonomie de ces batteries ne permet pas encore de rivaliser avec les véhicules à moteur à explosion et le coût de production des batteries neuves reste élevé. Au début de leur mise sur le marché, ces véhicules visaient un public très restreint en raison de la faible autonomie des batteries qui les composaient. Depuis 2008, avec la généralisation des batteries au lithium, ils commencent à toucher un plus large public. En 2011, les Autolib sont mises en libre service à Paris (Bluecars de Bolloré) et en 2013 c’est le réseau Bluely qui est lancé à Lyon.
• Les HEV (Hybrid Electric Vehicle)sont des véhicules hybrides électriques. Ils possèdent pour la plupart un moteur thermique et un moteur électrique d’appoint qui se charge en roulant avec le moteur thermique et en récupérant l’énergie de freinage. L’autonomie de ces véhicules n’est pas limitée par l’autonomie des batteries ce qui permet de les utiliser pour des longues distances ou sur des portions à grande vitesse. L’utilisation du moteur électrique est intéressante à de faibles vitesses là où le rendement du moteur électrique devient plus grand que celui du moteur thermique. Le premier HEV commercialisé fut la Toyota Prius en 1997 et possédait une batterie NiMH. De nombreuses marques automobiles ont désormais sorti un modèle hybride et la plupart utilisent maintenant la technologie Li-ion.
• Les PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) sont des véhicules hybrides dont les batteries peuvent aussi être rechargées sur secteur. Leur moteur thermique s’actionne lorsque les batteries sont déchargées. Le moteur électrique permet de rouler sur des distances de 30 à 60 km.

Le marché des véhicules électriques

Le secteur automobile est le premier secteur utilisant des batteries. De nombreux investissements sont réalisés par les grands groupes automobiles pour développer la production de véhicules électriques et hybrides. En 2018 c’est près de 300 milliards de dollars qui ont été investi dans ce marché dont 140 milliards d’euros en Chine et 10,4 milliards en France.

La vente de véhicules électriques représente seulement 1,3% des ventes annuelles de véhicules mais l’interdiction dans certains pays des véhicules à moteurs thermiques d’ici 2040 pourrait faire augmenter ce chiffre. Le marché des véhicules électriques est en augmentation en France. On compte 39158 véhicules électriques en France en 2018, ce qui représente 1,5% de tous les véhicules. Ce chiffre est en hausse de 27% par rapport à 2017.

Des inconvénients : conséquences de la voiture électrique sur l’environnement

Le cas de la voiture électrique est particulier dans le sens ou l’énergie grise, souvent oubliée dans le cas des piles, est ici un facteur important à prendre en compte pour mesurer l’impact environnemental et ainsi pouvoir juger la voiture électrique par rapport à la voiture thermique.

L’agence suédoise pour la recherche et le développement a mené une enquête pour déterminer le réel impact de la voiture électrique et de ses batteries lithium-ion sur l’environnement en s’appuyant sur près de 40 recherches portant sur le sujet. Il en ressort que les voitures électriques ont des avantages indéniables par rapport aux voitures thermiques en ce qui concerne le rendement de leur moteur (le rendement d’un moteur électrique étant 2 à 3 fois supérieur à celui d’un moteur thermique), la nuisance sonore et la phase d’utilisation. Cependant, en s’intéressant de plus près à la question de l’énergie grise on peut avoir un meilleur aperçu de la réelle empreinte écologique des voitures électrique. En effet, d’après ce rapport la production d’un KWh de batterie engendrerait l’équivalent à 150-200kg de CO2. Les modèles de voitures électriques les plus petits possèdent des batteries d’environ 30 KWh, mais la plupart des voitures électriques sur le marché possèdent des batteries de 60 à 100KWh. Une voiture électrique une batterie de 100KWh engendrerait ainsi dans l’atmosphère l’équivalent 15 à 20 tonnes de CO2, ce avant même le début de l’utilisation. Ces chiffres sont calculés avec un pourcentage de 50-70% d’énergies fossiles dans le mix énergétique global. On a ici un clair exemple de comment l’énergie grise peut avoir un rôle très important dans l’empreinte écologique d’un produit. Le cas de la pile se rapproche de celui-ci dans le sens où nous travaillons avec des technologies semblables (stockage de l’énergie sous forme chimique).

Enjeux environnementaux

Ce n'est qu'en 1991 qu'une filière spécifique de collecte et de traitement, par recyclage, des déchets des PA a été mis en place en Europe. Cette filière a été mise en place en 2009 en France. Cette filière repose sur "le principe de responsabilité élargie des producteurs pour la gestion de la fin de vie des piles et accumulateurs qu’ils mettent sur le marché".

Législation

Directives européennes

La loi française concernant le recyclage de la pile s’appuie sur la directive européenne 2006/06/CE.

Cette directive fixe deux types d’objectifs. Les premiers sont des taux de collecte pour les déchets de PA portables. Ils devaient atteindre 25% en 2012 et 45% en 2016. Les seconds sont « des objectifs de rendement de recyclage par technologie en poids moyen des déchets de piles et accumulateurs : 65 % pour la technologie plomb-acide, 75 % pour la technologie nickel-cadmium et 50 % pour les autres technologies de piles et accumulateurs, en septembre 2011 » .

La France a atteint ces objectifs, ce qui n’est pas le cas de tous les états membres. La gestion du Registre national Piles et Accumulateur a été délégué à l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Énergie (ADEME) par le Ministère de l’Écologie, du Développement Durable et de l’Énergie (MEDDE) depuis 2015.

Législation Française

La directive européenne a ensuite été codifiée dans le code de l’environnement. Ainsi, « tous les types de piles et d'accumulateurs, quels que soient leur forme, leur volume, leur poids, leurs matériaux constitutifs ou leur utilisation » doivent être recyclé hormis exception tel que ceux utilisés dans « les piles et accumulateurs utilisés dans les équipements liés à la protection des intérêts essentiels de la sécurité de l'Etat, les armes, les munitions et le matériel de guerre, si ces équipements sont destinés à des fins spécifiquement militaires » et « les piles et accumulateurs utilisés dans les équipements destinés à être lancés dans l'espace » . De plus, tout non-respect est puni de l’amende prévue pour les contraventions de la cinquième classe .

En outre, d’autres législations existent autour le pile elle-même. Elle ne doit pas contenir plus de 0,0005% de mercure en poids. Il existe cependant deux exceptions. La première est pour les piles bouton dont la teneur en mercure doit être inférieur à 2% en poids et pour les piles et accumulateurs portables dont la teneur de cadmium doit être inférieur à 0,002% en poids. Concernant la teneur en cadmium, les ministres chargés de l’environnement et de l’industrie ont établi une liste qui regroupe quelques cas d'exception.

D'autre part, il existe un système de marquage concernant certaines piles et accumulateurs. Par exemple, « les accumulateurs et piles bouton mis sur le marché et contenant plus de 0,0005 % de mercure, plus de 0,002 % de cadmium ou plus de 0,004 % de plomb sont marqués du symbole chimique correspondant : Hg, Cd ou Pb".

Par ailleurs, les producteurs de piles et accumulateurs ont le devoir de s’assurer que la collecte et le traitement soient respectés et ce à leur frais. C'est le principe du "pollueur-payeur". Pour cela, les pouvoirs publics ont agréé Corepile et Screlec, deux éco-organismes, en 2016 pour une période de 5 ans (jusqu'en 2021). Leurs objectifs sont de collecter et traiter les déchets de piles et accumulateurs sur l’ensemble de la France. Ils n’assurent pas que l’organisation du recyclage mais aussi les campagnes de sensibilisation et des suivis dans chaque point de collecte. Ainsi, cela passe par l’installation de bornes de collecte. De plus, les collectivités ont la possibilité de mettre en place des collectes dans les déchèteries par exemple ou encore des bornes dans les espaces publics en partenariat avec les éco-organismes. Enfin, les entreprises ou les établissements publics peuvent aussi mettre des points de collecte en s’organisant avec les éco-organismes. Il existe également d'autre acteurs dans ce domaine.

De surcroît, concernant les piles et accumulateurs industriels, la mise en place d’une collecte et d’un traitement est aussi obligatoire. De la même manière, le producteur doit reprendre et traiter ses déchets gratuitement et doit mettre à disposition des points d’apport volontaire. Ils ont de même la possibilité de créer une structure collective afin de répondre à leurs obligations. Il en va de même pour le traitement des piles et accumulateurs automobiles .

Cycle de recyclage

Le cycle de recyclage d'une pile se décompose en plusieurs étapes.

cycle de recyclage

La collecte

Chaque producteur de piles doit mettre à disposition des bornes de recyclages afin d'assurer la collecte des piles. Ainsi, la première phase est de collecter ces piles. Pour cela, les éco-organismes agréés mettent à disposition des conteneurs de stockage agréés pour le transport tel que des bacs de 30 kg, des fûts métalliques pouvant contenir 300 kg disposé à l’abri des intempéries afin d'éviter la rouille.

Ces collectes sont déclenchées sur demande et se réalise à partir de 90 kg. Il existe des procédures différentes selon le type de piles.

Certaines doivent être empilées et filmées sur une palette : c'est le cas des grosses piles types piles de clôture.

Les piles bouton au lithium en grosse quantité nécessite de même une procédure particulière. Pour commencer, il ne faut pas les mélanger avec d'autres piles usagées. Ensuite deux procédure différentes sont possibles. La première est de remettre les piles usagés dans leur emballages individuels d'origine puis les empiler sur une palette en faisant attention que ces emballage ne bouge pas. La deuxième procédure concerne toutes les piles au lithium primaire (LiMnO₂, LiSoCl₂) n'ayant plus leur emballage d'origine. Il faut les mettre dans un fût métallique homologué de classe II afin d'éviter le départ d'un feu en cas d'échauffement. Il faut ensuite effectuer une superposition de couche de vermiculite afin de prévenir et de limiter les risques d'explosion, d'échauffement ou de feu provenant d'un court-circuit entre les piles. la vermiculite permet de plus d'éviter les mouvements des piles durant le transport. Le remplissage du fût doit se terminer par une couche de vermiculite. Les couches de piles et vermiculite doivent s'alterner à raison de 10 cm chacune. Ensuite, tous ceci doit être contenu dans un sachet plastique de 200 microns minimum afin d'éviter le contact entre le fût et les piles. Enfin, le fût doit être bien fermé avec un couvercle et un cerclage afin d'éviter la propagation de tous les problèmes mis en exergues précédemment.

De plus, ce fût devra être étiqueté avec le nom du producteur, le libellé du déchet, le C.A.P (Certificat d'Aptitude Professionnel), des codes UN et CED (Catalogue Européen des déchets). Dans le cas contraire ou de non-conformité du déchet, ce fût pourra être refuser partiellement ou totalement. Ces piles sont ensuite regroupés dans un centre et chaque collecte y est pesée. Lorsque celle-ci atteint une certaine quantité (l'équivalent d'un camion plein (environ 20 tonnes) pour Corepile), les piles sont déplacées vers un centre de tri.

Le tri

Le tri est une étape très importante puisque au mieux il sera réalisé, au plus le nombre de piles sera recyclé. Cette étape s'effectue manuellement. Les piles et accumulateurs défilent sur un tapis roulant et l'homme prend soin de les trier en plusieurs catégories :

• Piles alcalines/salines
• Batteries Nickel-Cadmium (Ni-Cd)
• Petites batteries au plomb
• Piles de grandes tailles
• Batteries Nickel-Métal Hydrure (Ni-MH)
• Piles lithium
• Batteries Lithium-ion (Li-ion) ou Lithium polymère (Li-po)
• Piles bouton
• Autres déchets (D3E, eaux souillées, plastiques et intriables).

Ces catégories permettent ensuite d'affecter les piles au bon procédé de recyclage. D’après Screlec, « En moyenne, 60% de la matière première issue des accumulateurs et 50% issue des piles sont récupérés »

Les procédés de recyclage

Le recyclage consiste à séparer les matériaux constituant les piles et batteries dans le but d’obtenir une pureté suffisante du matériau. Ainsi, il pourra être recyclé. Chaque piles ou batteries usagées pourra être recyclé par un ou plusieurs des procédés qui suivent.

Afin de recycler des piles et accumulateurs usagés, nous distinguons deux types de procédés : La pyrométallurgie et l’hydrométallurgie. Il existe aussi deux autres méthodes, la distillation et la fusion, qui sont comparable à la pyrométallurgie.

La pyrométallurgie

La pyrométallurgie ou filière thermique va faire subir à la matière un traitement thermique qui va entraîner des changements d’états permettant la création d’alliage. Des réactions d’oxydo-réduction vont aussi permettre de séparer les métaux. Ainsi, 3 procédés sont utilisés :

Four de fusion	Four de distillation	Four Waelz
Il va permettre de faire passer les métaux de l’état solide à l’état liquide. De plus, on peut ajuster la composition atmosphérique du four afin que les réactions d’oxydo-réduction puissent avoir lieu. Ainsi, on va pouvoir récupérer soit un métal soit un alliage.	Il va permettre de faire passer les métaux de l’état solide à l’état liquide. De plus, on peut ajuster la composition atmosphérique du four afin que les réactions d’oxydo-réduction puissent avoir lieu. Ainsi, on va pouvoir récupérer soit un métal soit un alliage.	Technologie spécifique au recyclage du zinc. Le matériau riche en zinc va être introduit dans un four rotatif. Le zinc y est d’abord détruit puis vaporisé et extrait avant d’être oxyder. Finalement, il va être récupérer sous la forme d’une poudre.

Cette technique est adaptée à la majorité des piles ou accumulateurs tel que les piles alcalines/ salines, lithium, les accumulateurs NiCd, NiMH.

Les piles alcalines/ salines sont tout d’abord broyés. L’acier de la coque métallique est récupéré et envoyé en aciérie afin de fabriquer des alliages métalliques. La black mass, c’est-à-dire la poudre issue du broyage des piles) est envoyée en four de Waelz afin de récupérer le zinc.

Les accumulateurs Ni-Cd, après cassage et séparation des boîtier (plastique et métal), sont pyrolysés à 500°C puis chauffé à 900 °C afin de vaporiser et recondenser le cadmium sous forme de lingot. Les résidus en fer-nickel sont quant à eux recycler en acier inox ou spéciaux.

Les accumulateurs NiMH sont directement fondus afin de produire des ferro-alliages à base de nickel et de cobalt.

Les accumulateurs Lithium sont broyés et chaque composant est isolé par séparation mécanique.

Tous ces procédés vont s’adapter en fonction de l’usine et du besoin du marché.

L’hydrométallurgie

Cette technique utilise les voies chimiques. Elle tient son nom par l’utilisation d’acide liquide pour le traitement. Elle consiste à utiliser un traitement physique sur les piles et accumulateurs afin de séparer des composés ferreux, non ferreux et des papiers, plastiques. Les composés ferreux et de type plastique sont extrait par trie magnétique et traité séparément par la pyrométallurgie. Ainsi, il restera la Black Mass. Elle subit une attaque acide afin de mettre les métaux en solution. Ils vont ensuite être purifié par diverse méthode tels que l’extraction liquide-liquide, la cémentation, la précipitation, l’électrolyse. Ces procédés peuvent s’additionner et peuvent être précédé d’une étape de broyage et/ou suivis d’une étape d’affinage dans le but d’améliorer la pureté des produits obtenus.

Cette technique concerne les piles alcalines/salines, les accumulateurs NiCd, Li-ion.

La distillation

La distillation concerne notamment les piles bouton. Afin d’éviter la vaporisation du mercure, les piles vont subir pour commencer une étape de broyage cryogénique sous azote liquide. Par séparation magnétique, on va séparer la black mass de l’acier et des composés de types plastique. La Black Mass, amalgame de Zinc, Manganèse et parfois Mercure, ainsi que l’acier vont ensuite subir une distillation. Ainsi, on va obtenir de l’électrolyte, de l’acier, de la poudre de Zinc/manganèse et parfois du mercure.

La fusion

La fusion concerne les batteries au plomb. C’est un procédé est comparable à celui de la pyrométallurgie mais celui-ci va nous donner des lingots de plomb en sortie de four.

La valorisation

À partir du recyclage, nous avons séparé les différents matériaux des piles et accumulateurs en métaux plus ou moins pur ou alliage selon les usines et besoin du marché. Ainsi, la valorisation des ces métaux nous permet d’obtenir des piles ou de l’énergie.

En effet, d’après Screlec:

• « le mercure sert à des applications industrielles spécifiques,
• le plomb et le cadmium permettent, entre autres, de fabriquer de nouvelles batteries.
• le manganèse des piles salines, alcalines et au lithium, sous forme d’alliage ferromanganèse, peut servir à la fabrication de pièces à haute résistance à l’usure (godets de pelleteuses),
• le cobalt des batteries au lithium sous forme d’alliage, peut entrer dans la fabrication de pales de turbine de réacteurs,
• l’acier inoxydable des godets de certaines piles et batteries peut permettre de fabriquer des articles ménagers et des accessoires du bâtiment,
• le nickel des batteries Ni-CD et Ni-Mh, sous forme de ferronickel, peut entrer dans la fabrication d’articles ménagers et d’accessoires du bâtiment,
• le zinc des piles salines, alcalines et zinc air peut être réutilisé, entre autres, pour produire des gouttières pluviales ou pour la protection contre la corrosion. »

Ainsi, de nouveaux objets pourront être réalisé tel que des piles ou batteries neuves, des tuyaux de cuivre (grâce à l’acier), des pièces automobiles (grâce à l’acier et l’aluminium) des vélos, des couverts en acier inoxydable, des clefs…

Une multitude d’objets pourra donc être recréer c’est pourquoi il est important de ramener ses piles usagées aux bornes de collecte. Cela nous permettra d’économiser de l’énergie ainsi que des ressources naturelles.

Energie grise

L’énergie grise, aussi appelée énergie intrinsèque, est l’énergie totale consommée par un matériau ou un produit lors de son cycle de vie, de sa production à son recyclage (exception faite de son utilisation). C’est un outil qui nous permet d’avoir une idée plus globale et réelle sur les besoins énergétiques d’un produit, nous permettant ainsi de juger l’efficacité ou l’impact environnemental de ce produit de manière plus juste et complète.

Dans le cas de la pile il est important de se pencher sur cet aspect pour avoir un meilleur aperçu de l’impact environnemental des piles. Bien qu’il soit compliqué d’obtenir des données ou effectuer des calculs concernant l’énergie grise totale d’une pile on peut du moins énoncer les étapes qui consomment particulièrement de l’énergie dans le cycle de vie d’une pile. Tout d’abord on a l’extraction des métaux présents dans les électrodes, en plus d’avoir des impacts environnementaux (exemple du Lithium) l’extraction de ces matériaux va consommer de l’énergie. Une fois extraits, les métaux doivent être transformer et être sous certaines formes pour pouvoir être utilisés dans les piles. Ensuite le transport, des matériaux vers les usines qui fabriquent les piles et des piles vers les lieux de commercialisations, vient s’ajouter au bilan de l’énergie grise. Finalement, il existe aussi des dépenses énergétiques liées au recyclage et à la revalorisation des piles sous forme de déchets.

Bien qu’il soit difficile de quantifier énergétiquement toutes ces étapes on peut affirmer que la pile, va fournir bien moins d’énergie que celle qui a été nécessaire pour sa fabrication et tout son cycle de vie. (On peut trouver dans la littérature des données affirmant qu’une pile électrique ne fournit que le cinquantième de l’énergie nécessaire à sa fabrication).

Conclusion

Trajectoire de l'impact des piles, batteries et accumulateurs en fonction du temps

Pour conclure et résumer, voici la trajectoire des piles, batteries et accumulateurs qui décrit l'impact qu'ils ont sur la société et leur utilisation en fonction du temps.