Batteries ou piles à combustible à hydrogène : un survol des technologies et des ressources qu'elles mobilisent
Les batteries lithium-ion et les piles à combustible à hydrogène occupent une place croissante dans les discussions sur la transition énergétique. Toutes deux reposent sur des réactions électrochimiques, mais elles répondent à des besoins différents : stocker l’électricité dans un cas, convertir l’hydrogène en électricité dans l’autre.
Cette distinction influence directement les usages possibles, les performances attendues et les ressources mobilisées. Lithium, cobalt, graphite, cuivre ou platine : chaque technologie s’appuie sur des chaînes d’approvisionnement distinctes, avec leurs propres enjeux. Comparer ces deux solutions permet donc de mieux comprendre leur rôle respectif dans un système énergétique plus sobre en carbone.
Comment fonctionnent ces deux technologies ?
La batterie lithium-ion : stocker l'énergie pour la restituer
Une batterie, dans son sens le plus simple, est un dispositif qui stocke de l'énergie sous forme chimique et la restitue sous forme électrique à la demande. La version lithium-ion est aujourd'hui la plus répandue dans les véhicules électriques et l'électronique grand public, et pour cause : elle offre un rapport performance-compacité difficile à égaler.
Concrètement, une cellule lithium-ion est composée de cinq éléments principaux : une anode, une cathode, un séparateur, un électrolyte et deux collecteurs de courant [1]. Lors de l'utilisation (la décharge), les ions lithium migrent de l'anode vers la cathode à travers l'électrolyte. Ce déplacement libère des électrons qui, en circulant dans le circuit externe, alimentent l'appareil [1]. Lors de la recharge, le processus s'inverse : la cathode libère les ions lithium, qui retournent vers l'anode [1].
Ce cycle charge-décharge peut se répéter des centaines, voire des milliers de fois. En termes de performance, la densité énergétique d'une cellule lithium-ion peut atteindre jusqu'à 330 Wh/kg, contre environ 75 Wh/kg pour les batteries plomb-acide traditionnelles [2]. Par ailleurs, une cellule lithium-ion peut délivrer jusqu'à 3,6 volts, soit 1,5 à 3 fois la tension des technologies alternatives [2]. C'est ce qui explique en grande partie leur omniprésence dans les appareils modernes.
La pile à combustible à hydrogène (PEMFC) : convertir un carburant en électricité
Contrairement à une batterie lithium-ion, qui stocke l’énergie pour la restituer plus tard, une pile à combustible fonctionne comme un générateur électrochimique. Elle produit de l’électricité en continu tant qu’elle est alimentée en hydrogène et en oxygène.
Dans une pile à combustible, l’énergie chimique d’un carburant, ici l’hydrogène, est convertie directement en électricité par une réaction électrochimique, sans combustion. Le type le plus courant pour les applications de transport est la PEMFC, pour Proton Exchange Membrane Fuel Cell, ou pile à combustible à membrane échangeuse de protons.
Son fonctionnement repose sur une réaction en trois étapes [3] :
À l’anode, l’hydrogène est séparé en protons et en électrons grâce à un catalyseur.
Dans la membrane, les protons traversent la membrane échangeuse de protons vers la cathode, tandis que les électrons circulent dans un circuit externe. C’est ce déplacement des électrons qui génère le courant électrique.
À la cathode, l’oxygène de l’air se combine aux protons et aux électrons pour former de l’eau et de la chaleur, qui sont les principaux sous-produits de la réaction.
Pour obtenir davantage de puissance, plusieurs cellules sont assemblées en série dans un empilement, souvent appelé stack [3]. Les PEMFC fonctionnent généralement à basse température, souvent sous 100 °C. Leur efficacité électrique se situe typiquement autour de 40 à 60 %, selon les conditions d’exploitation et la base de calcul utilisée, notamment le pouvoir calorifique inférieur de l’hydrogène [4].
Quels minéraux et matériaux chaque technologie mobilise-t-elle ?
Comparer les batteries lithium-ion et les piles à combustible à hydrogène, c’est aussi comparer les chaînes d’approvisionnement qui les rendent possibles. Ces technologies reposent sur des matériaux différents, dont certains sont considérés comme critiques parce que leur production est concentrée dans un nombre limité de pays, ou parce qu’ils jouent un rôle stratégique dans des secteurs clés de la transition énergétique.
Les minéraux de la batterie lithium-ion
La composition d’une batterie lithium-ion dépend surtout de la chimie utilisée pour la cathode. Dans les véhicules électriques et le stockage stationnaire, les formulations les plus courantes comprennent notamment le NMC (nickel-manganèse-cobalt), le NCA (nickel-cobalt-aluminium) et le LFP (lithium-fer-phosphate) [10]. L’anode, quant à elle, est généralement composée de graphite naturel ou synthétique [2].
La chaîne d’approvisionnement d’une batterie lithium-ion mobilise donc plusieurs ressources minérales distinctes [5] :
Lithium : composant actif de la cathode et de l’électrolyte.
Cobalt, nickel et manganèse : métaux utilisés dans certaines chimies de cathode, notamment NMC et NCA.
Graphite : matériau dominant de l’anode.
Cuivre : utilisé notamment dans le collecteur de courant côté anode et le câblage.
Aluminium : utilisé notamment dans le collecteur de courant côté cathode.
Ces matériaux ne présentent pas tous les mêmes enjeux, mais plusieurs sont associés à des chaînes d’approvisionnement sensibles. Les batteries figurent déjà parmi les grands usages du graphite naturel, et la demande liée aux anodes de batteries lithium-ion devrait croître avec l’essor des véhicules électriques 5,9. Le cuivre illustre aussi l’ampleur des besoins matériels : un véhicule électrique à batterie peut contenir environ 83 kg de cuivre, contre environ 23 kg pour un véhicule à moteur thermique conventionnel [5].
Les matériaux de la pile à combustible à hydrogène (PEMFC)
La pile à combustible à hydrogène mobilise un ensemble de matériaux différent de celui des batteries lithium-ion. Dans une PEMFC, l’un des matériaux les plus stratégiques est le platine, un métal du groupe du platine utilisé comme catalyseur pour accélérer les réactions électrochimiques.
Le platine intervient à la fois à l’anode et à la cathode, où il facilite la séparation de l’hydrogène en protons et en électrons, puis la réaction avec l’oxygène pour produire de l’eau et de la chaleur [11]. Dans les systèmes modernes destinés au transport, les chargements en platine ont fortement diminué par rapport aux premières générations de piles, mais la réduction de cette quantité demeure un axe important de recherche et développement [11].
Les plaques bipolaires constituent un autre élément clé du stack. Elles assurent notamment la conduction électrique, la distribution des gaz et la séparation des cellules. Elles peuvent être fabriquées à partir de différents matériaux, chacun présentant des avantages et des limites [12] :
Graphite : bonne conductivité électrique et résistance à la corrosion, mais plus fragile mécaniquement.
Acier inoxydable revêtu : matériau robuste et généralement moins coûteux, mais qui nécessite un revêtement protecteur pour limiter la corrosion.
Titane : très bonne résistance à la corrosion, mais coût plus élevé et transformation plus complexe.
Il faut enfin distinguer les matériaux de la pile et l’hydrogène qui l’alimente. L’hydrogène n’est pas un minéral comme le lithium, le cobalt ou le platine. C’est un vecteur énergétique, produit industriellement à partir d’autres sources d’énergie, notamment par reformage du gaz naturel ou par électrolyse de l’eau. L’hydrogène naturel d’origine géologique fait aussi l’objet d’un intérêt scientifique croissant, notamment en raison de son potentiel comme source d’hydrogène bas carbone.
Quels usages typiques pour chaque technologie ?
Là où la batterie lithium-ion excelle
Les batteries lithium-ion se sont imposées dans les usages où la densité énergétique, la compacité et la recharge électrique directe sont des critères importants. Elles dominent aujourd’hui les véhicules électriques légers et l’électronique grand public [10]. Pratiquement tous les véhicules électriques à batterie et hybrides rechargeables actuellement sur le marché utilisent cette technologie [10].
Elles occupent aussi une place centrale dans le stockage stationnaire par batteries. La plupart des projets actuels visent toutefois le stockage de courte durée, souvent jusqu’à quatre heures, afin de fournir des services de flexibilité au réseau, comme la régulation de fréquence, le décalage de charge ou l’intégration des énergies renouvelables variables [6].
Leurs usages les plus courants incluent :
Véhicules électriques légers : voitures, vélos, scooters et véhicules de livraison courte distance.
Électronique portable : téléphones, ordinateurs portables, tablettes et autres appareils mobiles.
Stockage stationnaire court terme : systèmes résidentiels, commerciaux ou raccordés au réseau électrique.
Transport urbain : autobus urbains et flottes opérant sur des trajets prévisibles avec recharge planifiée.
Là où la pile à combustible à hydrogène se distingue
La pile à combustible à hydrogène répond à une logique différente. Elle peut être pertinente lorsque les besoins portent sur une autonomie élevée, une charge utile importante, une utilisation intensive ou un ravitaillement rapide. Ces caractéristiques expliquent l’intérêt porté aux véhicules à pile à combustible pour certains segments du transport lourd et longue distance [7].
Les applications souvent envisagées comprennent notamment les camions lourds, les autobus, certains trains, navires ou équipements industriels. Dans ces cas, l’avantage potentiel ne vient pas seulement de la pile elle-même, mais aussi de la possibilité de stocker de l’hydrogène à bord et de ravitailler le véhicule plus rapidement qu’une recharge complète de batterie.
Au-delà du transport, les piles à combustible peuvent aussi être utilisées pour fournir une puissance continue lorsque le carburant est disponible. Elles sont ainsi étudiées ou déployées dans certaines applications stationnaires, industrielles ou de secours, selon les besoins de fiabilité, d’autonomie et d’approvisionnement en hydrogène [8].
Leurs applications typiques regroupent :
Transport lourd et longue distance : camions, autobus interurbains, trains ou navires selon les contextes.
Équipements industriels : chariots élévateurs et autres véhicules de manutention.
Alimentation de secours : télécommunications, centres de données ou sites isolés.
Applications stationnaires : production électrique continue ou complémentaire lorsque l’approvisionnement en hydrogène est disponible.
Tableau I Comparaison sommaire — Batterie lithium-ion vs Pile à combustible à hydrogène (PEMFC)
| Critère | Batterie lithium-ion | Pile à combustible (PEMFC) |
|---|---|---|
| Principe | Stockage électrochimique | Conversion électrochimique continue |
| Recharge / Ravitaillement | Électricité (recharge) | Hydrogène (ravitaillement) |
| Minéraux clés | Lithium, cobalt, nickel, graphite, cuivre | Platine (catalyseur), graphite, acier inoxydable / titane |
| Densité énergétique | Jusqu'à 330 Wh/kg² | Avantage pour les longues distances (haute densité gravimétrique)⁷ |
| Efficacité électrique | — | 40–60 % (valeur basse du pouvoir calorifique de l'H₂)⁴ |
| Usages typiques | Véhicules légers, électronique, stockage court terme | Transport lourd, longue distance, alimentation de secours |
Ce que ces deux technologies révèlent sur la transition énergétique
Les batteries lithium-ion et les piles à combustible à hydrogène illustrent deux réalités importantes de la transition énergétique : les technologies bas carbone reposent aussi sur des matériaux, des infrastructures et des chaînes d’approvisionnement. Lithium, cobalt, graphite et cuivre jouent un rôle central dans les batteries [5], tandis que les PEMFC mobilisent plutôt du platine, du graphite et des matériaux structuraux propres au stack [11]. Ces différences influencent autant les coûts, les usages possibles que les enjeux d’approvisionnement.
Cette comparaison montre qu’il ne s’agit pas nécessairement de choisir une technologie contre l’autre, mais de comprendre où chacune peut être pertinente. Les batteries répondent bien aux besoins de mobilité légère, d’électronique et de stockage de courte durée. Les piles à combustible, elles, peuvent compléter l’électrification dans certains usages lourds, intensifs ou plus difficiles à desservir uniquement par batterie.
Comprendre les liens entre minéraux, technologies et usages est une première étape pour mieux appréhender les défis et les opportunités de cette transformation. C'est précisément ce type d'exploration, au sens large, qui guide l'intérêt de Squatex pour les ressources naturelles et les énergies renouvelables.
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References
[1] U.S. Department of Energy. "How Lithium-ion Batteries Work." Energy.gov, Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, 7 Jan. 2022, www.energy.gov/energysaver/articles/how-lithium-ion-batteries-work.
[2] Clean Energy Institute. "Lithium-Ion Battery." University of Washington, 2021, www.cei.washington.edu/research/energy-storage/lithium-ion-battery/.
[3] U.S. Department of Energy. "Fuel Cells." Energy.gov, Office of Energy Efficiency & Renewable Energy, 2020, www.energy.gov/eere/fuelcells/fuel-cells.
[4] Barbir, Frano. PEM Fuel Cells: Theory and Practice. 3rd ed., Elsevier, 2020, doi:10.1016/C2018-0-03237-9.
[5] International Energy Agency. "The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions." IEA, May 2021, www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions.
[6] International Energy Agency. "Grid-Scale Storage." World Energy Outlook 2022, IEA, 2022, www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2022.
[7] International Energy Agency. "The Future of Hydrogen for Transport." IEA, 2021, www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen-for-transport.
[8] International Renewable Energy Agency. "Green Hydrogen: A Guide to Policy Making." IRENA, Nov. 2020, www.irena.org/publications/2020/Nov/Green-hydrogen-A-guide-to-policy-making.
[9] U.S. Geological Survey. "Mineral Commodity Summaries 2022: Graphite." U.S. Department of the Interior, 2022, pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2022/mcs2022.pdf.
[10] International Energy Agency. "Global EV Outlook 2023." IEA, April 2023, www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2023.
[11] U.S. Department of Energy. "Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office Multi-Year Research, Development, and Demonstration Plan." DOE, updated 2020, www.energy.gov/eere/fuelcells/downloads/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office-multi-year-research.
[12] Li, Xianguo. Principles of Fuel Cells. 2nd ed., CRC Press, 2021, doi:10.1201/9780429294499.
