Le Japon met au point une batterie à hydrogène fonctionnant à 90 °C pour un stockage plus sûr et plus efficace

Pourquoi une batterie à hydrogène fonctionnant à 90 °C est importante aujourd’hui

Des chercheurs japonais ont dévoilé une batterie à hydrogène qui stocke et libère l’hydrogène à environ 90 °C, soit 194 °F. Cette température de fonctionnement est bien inférieure aux 300 à 400 °C généralement nécessaires aux systèmes de stockage solide de l’hydrogène à base d’hydrure de magnésium. Cette avancée répond au principal défi des systèmes énergétiques à hydrogène : assurer un stockage fiable, sûr, efficace et réversible. L’équipe de l’Institut des sciences de Tokyo, dirigée par le Dr Takashi Hirose, avec le professeur assistant Naoki Matsui et le professeur Ryoji Kanno, de l’Institut et Centre de recherche sur les batteries entièrement solides de Science Tokyo, présente ces résultats dans la revue Science, datée du 18 septembre 2025.

L’hydrogène peut transférer de l’énergie d’un lieu ou d’un moment à un autre sans émettre de dioxyde de carbone au point d’utilisation. Son stockage reste toutefois un problème tenace. Les réservoirs de gaz comprimé sont lourds et coûteux, tandis que l’hydrogène liquide exige des températures cryogéniques proches de −253 °C. Un système pratique de stockage solide fonctionnant près du point d’ébullition de l’eau modifierait les choix de conception des véhicules, des installations industrielles et du stockage des énergies renouvelables. La nouvelle cellule utilise de l’hydrure de magnésium comme matériau de stockage et un électrolyte solide spécial qui conduit les ions hydrure, ce qui permet d’exploiter toute sa capacité à une température compatible avec les équipements réels.

Le dispositif mis au point par les chercheurs

Le dispositif est une cellule électrochimique qui utilise l’hydrogène comme porteur de charge actif. L’hydrure de magnésium, de formule MgH2, sert d’anode et stocke l’hydrogène. Le gaz hydrogène constitue la cathode. Entre les deux se trouve un électrolyte solide nouvellement conçu, qui conduit rapidement les ions hydrure, même à température ambiante. De composition Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, cet électrolyte présente une structure cristalline de type anti-alpha-AgI, connue pour son comportement superionique, qui permet aux ions hydrure de circuler librement dans le solide.

Charge et décharge de la cellule

Lors de la charge, l’anode libère les ions hydrure de MgH2. Ceux-ci migrent à travers l’électrolyte solide vers l’électrode à hydrogène, où ils sont oxydés pour former du gaz hydrogène. Lors de la décharge, le gaz hydrogène présent à la cathode est réduit en ions hydrure. Ceux-ci traversent l’électrolyte en sens inverse jusqu’au côté de l’anode, où ils réagissent avec le magnésium pour reformer du MgH2. Le processus est entièrement réversible : le même matériau peut ainsi stocker l’hydrogène, puis le libérer à plusieurs reprises à environ 90 °C, sans recourir à une chaleur extrême.

Sur le plan électrochimique, la cellule remplace le modèle classique dans lequel seuls les électrons interviennent par un système où l’hydrogène participe directement. La tension et le courant appliqués pendant la charge et la décharge entraînent le déplacement des ions hydrure. Ce contrôle remplace l’apport massif de chaleur nécessaire à de nombreux systèmes de stockage thermique, réduisant les pertes d’énergie et simplifiant la conception du système.

Pourquoi le stockage de l’hydrogène est difficile

Les réservoirs d’hydrogène comprimé fonctionnent à des pressions qui atteignent souvent 350 à 700 bars. L’énergie nécessaire à la compression réduit le rendement net, tandis que les réservoirs ajoutent du poids et du coût pour toute utilisation mobile. L’hydrogène liquide permet d’éviter les gros réservoirs, mais pose d’autres difficultés. Il doit être refroidi à moins de 21 K pour se liquéfier, ce qui nécessite des équipements cryogéniques énergivores. Les pertes par évaporation restent un défi, en particulier dans les environnements chauds et lorsque l’utilisation est lente.

Les matériaux solides offrent une autre solution. Ils peuvent contenir l’hydrogène sous une forme compacte et à basse pression. Beaucoup des hydrures les plus étudiés ne libèrent l’hydrogène qu’après avoir été chauffés à très haute température. Cet apport de chaleur complexifie les systèmes et réduit leur rendement aller-retour. Les approches électrochimiques à basse température utilisant des électrolytes liquides ont rencontré des difficultés : les ions hydrure circulent mal dans les liquides conçus pour les batteries au lithium ou au sodium. Les capacités obtenues sont donc très inférieures à celles que les solides peuvent théoriquement stocker. L’équipe japonaise résout ce problème de transport en optant pour un solide conçu pour déplacer rapidement les ions hydrure.

Au cœur du nouvel électrolyte solide

L’électrolyte conduit les ions hydrure et possède une structure de type anti-alpha-AgI. Dans cette structure, le baryum, le calcium et le sodium occupent des positions qui créent un réseau de sites et de canaux. Les ions hydrure peuvent passer d’un site tétraédrique à un site octaédrique avec peu de résistance, ce qui assure une forte conductivité ionique, même à température ambiante. C’est cette mobilité rapide qui rend possible le fonctionnement à 90 °C d’une cellule à hydrure de magnésium.

Au-delà de sa rapidité, le matériau présente une stabilité électrochimique. Un électrolyte solide évite les problèmes de mélange et les réactions secondaires qui peuvent affecter les systèmes liquides. Le séparateur solide isole l’électrode à hydrogène de l’hydrure de magnésium, tout en laissant passer les ions hydrure. Cette configuration permet des cycles répétables et réduit les risques pour la sécurité liés aux fuites ou à la volatilité. La composition peut être ajustée en modifiant les proportions de baryum, de calcium et de sodium, ouvrant ainsi des pistes de recherche pour améliorer la conductivité, la stabilité et la facilité de fabrication.

Performances et signification des chiffres

Le prototype a atteint la capacité de stockage théorique maximale de l’hydrure de magnésium, soit environ 2 030 milliampères-heures par gramme, ce qui correspond à 7,6 % d’hydrogène en masse. C’est une valeur de référence élevée pour un matériau de stockage pratique de l’hydrogène. L’atteindre avec une cellule fonctionnant à environ 90 °C marque une avancée importante : une capacité élevée est ainsi associée à des conditions de fonctionnement compatibles avec les contraintes d’ingénierie prévisibles.

La clé réside dans la capacité de l’électrolyte à assurer le déplacement rapide des ions hydrure à température ambiante. La cellule ne nécessite ensuite qu’un chauffage modéré pour maintenir la cinétique de l’hydrure de magnésium sans gaspiller d’énergie. Des températures inférieures à 100 °C simplifient les dispositifs de chauffage, l’isolation, les joints et les mesures de sécurité, par rapport aux systèmes nécessitant plusieurs centaines de degrés Celsius. Une température de fonctionnement plus basse facilite également l’intégration thermique. La chaleur résiduelle d’une pile à combustible ou d’un moteur peut contribuer à maintenir la cellule de stockage dans sa plage de fonctionnement.

La réversibilité est essentielle pour les applications réelles. L’équipe fait état de cycles répétés de stockage et de libération à pleine capacité et à basse température, ce que les méthodes thermiques ou à électrolyte liquide antérieures n’avaient pas permis. Cette combinaison d’une forte densité énergétique, d’une température plus basse et de cycles répétables fait passer l’idée du stade de curiosité de laboratoire à celui d’une plateforme que les développeurs pourraient intégrer à des véhicules ou à des équipements de stockage stationnaire.

Des véhicules au stockage sur le réseau électrique : les applications possibles

Sur la route, les véhicules à pile à combustible à hydrogène ont besoin d’un stockage compact, sûr, léger et efficace. Un système de stockage solide fonctionnant près du point d’ébullition de l’eau pourrait réduire le recours aux réservoirs à haute pression. Un module de batterie à hydrogène pourrait se charger dans une station en absorbant l’hydrogène produit sur place, puis libérer le gaz à la demande pour alimenter une pile à combustible. La conception solide et réversible réduit le besoin de systèmes cryogéniques complexes ou à très haute pression, ce qui pourrait diminuer les coûts et offrir davantage de possibilités d’agencement pour les voitures, les camions et les autobus.

Dans le secteur de l’électricité, une batterie à hydrogène se combine naturellement aux sources intermittentes. L’énergie solaire ou éolienne peut alimenter un électrolyseur pour produire de l’hydrogène lorsque l’électricité est abondante. La batterie à hydrogène peut absorber le gaz et le stocker à basse pression, puis le libérer ultérieurement vers une pile à combustible ou une turbine lorsque la demande atteint un pic ou que la production renouvelable est faible. Cette approche convient aux micro-réseaux, aux systèmes isolés et aux installations éloignées où de vastes parcs de réservoirs sont peu pratiques.

Les industriels recherchent un approvisionnement en hydrogène fiable et flexible. La sidérurgie, la production d’ammoniac et les activités de raffinage ont besoin de flux réguliers pour stabiliser leurs procédés. Une unité de stockage solide modulaire peut servir de tampon et absorber les fluctuations de courte durée de l’approvisionnement et de la production. Le fonctionnement à plus basse température et la construction solide pourraient faciliter l’installation dans les usines et réduire les contraintes réglementaires par rapport au stockage cryogénique.

Défis d’ingénierie et de montée en échelle

Maintenir une cellule autour de 90 °C est plus facile que de la faire fonctionner à 300 °C, mais nécessite tout de même une gestion thermique. Les concepteurs doivent prévoir des dispositifs de chauffage, une isolation et une logique de commande pour maintenir la température dans les climats froids et éviter la surchauffe par temps chaud. Les variations rapides de température pendant les charges et décharges rapides doivent être soigneusement gérées afin d’éviter la fissuration ou la dégradation des matériaux.

Les matériaux et la fabrication joueront un rôle essentiel. L’électrolyte est un hydrure multicomposant sensible à l’oxygène et à l’humidité. La production de poudres présentant la bonne stœchiométrie, la bonne taille de particules et la pureté requise, puis la mise en forme de séparateurs denses et sans défaut, nécessiteront des environnements contrôlés et un contrôle qualité rigoureux. L’hydrure de magnésium réagit avec l’eau et l’oxygène : les boîtiers devront donc empêcher toute entrée d’air ou d’humidité. La durabilité mécanique malgré les variations de volume au fil des cycles constitue un autre défi, puisque les hydrures se dilatent et se contractent. Les développeurs travailleront sur les revêtements, les liants et le contrôle de la pression dans les empilements afin de maintenir une faible résistance et une longue durée de vie.

L’intégration du système soulève les questions habituelles de sécurité liées à l’hydrogène. Les équipements de gestion du gaz doivent empêcher les fuites et permettre une évacuation sûre. Les capteurs, les vannes et les régulateurs doivent fonctionner avec l’empilement de stockage solide pour que l’ensemble du système respecte les codes et les normes. La taille, le poids et le coût détermineront la voie vers une utilisation dans les véhicules. Pour les applications stationnaires, les équipements auxiliaires, des électrolyseurs à l’électronique de puissance en passant par les piles à combustible, devront être dimensionnés pour assurer un rendement aller-retour supérieur à celui des solutions concurrentes. Des projets pilotes à des échelles croissantes seront indispensables pour évaluer les performances à long terme et les besoins de maintenance.

Comparaison avec les autres solutions de stockage

Les systèmes à gaz comprimé sont simples, mais la compression entraîne des pertes énergétiques et nécessite des réservoirs robustes et lourds. L’hydrogène liquide offre une forte densité énergétique, mais exige des équipements cryogéniques et une manipulation soigneuse pour éviter les pertes par évaporation. La batterie à hydrogène modifie cet équilibre : elle utilise une chaleur modérée et de l’électricité pour déplacer les ions hydrure et stocker l’hydrogène dans un solide de grande capacité. L’absence d’équipements cryogéniques et de réservoirs à très haute pression peut simplifier les dossiers de sécurité et réduire les consommations auxiliaires.

D’autres matériaux de stockage solide, comme les hydrures complexes tels que les alanates ou les borohydrures, nécessitent souvent des catalyseurs et fonctionnent encore à haute température, avec une cinétique lente. L’hydrure de magnésium est léger et abondant. L’associer à un conducteur rapide d’ions hydrure modifie l’étape limitante. L’électrolyte assure le transport des ions, tandis que la chaleur modérée favorise la libération et l’absorption de l’hydrogène. Cette répartition des rôles permet d’atteindre la pleine capacité à une température accessible.

Les prochaines étapes à surveiller

La reproduction indépendante des résultats et le passage à des cellules de laboratoire de plus grande taille constitueront les prochaines étapes. Les cellules et les empilements de plus grand format devront démontrer la même capacité et la même réversibilité, ainsi qu’un fonctionnement stable sur des centaines, voire des milliers de cycles. Les industriels suivront de près la capacité à supporter des charges et décharges rapides, la réponse aux cycles de démarrage et d’arrêt, ainsi que la sécurité en conditions d’utilisation abusive.

Les perspectives commerciales dépendent souvent de partenariats. Les constructeurs automobiles, les développeurs énergétiques et les fournisseurs de gaz industriels examineront le coût par kilogramme d’hydrogène stocké, le rendement énergétique du système à la charge et à la décharge, ainsi que les besoins de maintenance. Si les méthodes de fabrication de l’électrolyte et des composants du boîtier sont normalisées et que la durée de vie en cycles s’avère suffisante, la technologie pourrait passer à des projets pilotes associant électrolyseurs, modules de batteries à hydrogène et piles à combustible dans des conditions réelles.

À retenir

• Des chercheurs japonais présentent une batterie à hydrogène fonctionnant à environ 90 °C, une température bien inférieure aux 300 à 400 °C nécessaires aux systèmes antérieurs à hydrure de magnésium.
• La cellule utilise l’hydrure de magnésium comme anode, le gaz hydrogène comme cathode et un électrolyte solide qui conduit rapidement les ions hydrure.
• L’électrolyte, Ba0.5Ca0.35Na0.15H1.85, possède une structure de type anti-alpha-AgI qui permet une forte conductivité ionique à température ambiante.
• Les essais ont atteint la capacité théorique maximale de l’hydrure de magnésium, soit environ 2 030 mAh par gramme, ce qui équivaut à 7,6 % d’hydrogène en masse.
• Un fonctionnement en dessous de 100 °C réduit les pertes d’énergie et simplifie la gestion thermique, les joints et les mesures de sécurité par rapport aux systèmes nécessitant une forte chaleur.
• Le cycle réversible permet de stocker et de libérer l’hydrogène à plusieurs reprises sans la chaleur extrême exigée par les méthodes thermiques classiques.
• Les applications possibles comprennent les modules de stockage pour véhicules, le stockage d’énergie à l’échelle du réseau associé à des électrolyseurs et le stockage tampon pour l’industrie.
• Les principaux défis concernent la gestion thermique, la protection contre l’air et l’humidité, la durée de vie en cycles, la fabrication et l’intégration du système.
• Les travaux ont été dirigés par le Dr Takashi Hirose, avec le professeur assistant Naoki Matsui et le professeur Ryoji Kanno, de l’Institut des sciences de Tokyo.
• Les résultats ont été publiés dans Science le 18 septembre 2025. Ils doivent maintenant être reproduits et validés à plus grande échelle.