Technologies de batterie qui vont changer le monde

Voulez-vous conduire cinq cents miles pour un dollar? Vous voulez que votre smartphone rende des graphiques informatiques de qualité console et se recharge une fois par semaine? Vous souhaitez pouvoir utiliser des appareils vestimentaires légers de style Google Glass pendant des semaines sans vous soucier de les charger?

Toutes ces excellentes applications technologiques attendent une meilleure technologie de batterie. La technologie des batteries a connu une croissance plus lente que les autres technologies (telles que la vitesse du processeur et le stockage informatique) et constitue désormais le long poteau de tente dans un nombre impressionnant d'industries. Il y a de bonnes raisons de croire que nous atteignons certaines limites fondamentales de la technologie actuelle au lithium-ion, et un certain nombre de technologies intéressantes sont à l'horizon. Aujourd'hui, nous allons examiner quatre des options les plus prometteuses.

De meilleures batteries permettent de rendre les voitures électriques plus pratiques, dissipent les soucis de charge des appareils mobiles et permettent de nouvelles classes de systèmes portables légers et de longue durée. Voici comment ils vont le faire:

3. Batteries bi-carbone

En plus de ne pas être aussi denses en énergie que nous le souhaiterions, il existe d'autres limitations sérieuses à la technologie existante des batteries lithium-ion, notamment le temps de charge, la volatilité et la dégradation..

Les batteries au lithium ionique prennent du temps à se charger - souvent plusieurs heures, même avec la meilleure technologie - et, bien que probablement plus sûres que l’essence, elles chauffent au cours de leur fonctionnement (batteries particulièrement performantes comme celles utilisées dans les véhicules électriques). Si la dissipation de chaleur n'est pas correctement gérée, la réaction d'emballement qui en résulte peut provoquer des incendies ou même une explosion..

Pour aggraver les choses, le cycle de charge-décharge des batteries lithium-ion est destructeur: après seulement deux cent cinquante cycles de charge-décharge, les batteries lithium-ion auront déjà perdu environ 20% de leur capacité de stockage. Cela convient très bien aux marchés tels que les smartphones, où les utilisateurs remplacent leurs appareils tous les ans ou tous les deux ans, mais c'est un problème pour les marchés tels que le véhicule électrique, qu'ils aimeraient probablement utiliser pendant des années sans avoir à remplacer un composant de batterie coûteux et toxique.

Maintenant, une entreprise appelée “Power Japan Plus” pense avoir une solution, sous la forme d'un “double carbone” batterie. Cette technologie de batterie remplace l'anode et la cathode de la batterie (les bornes positive et négative, généralement constituées d'un métal très réactif tel que l'oxyde de lithium) par du carbone brut, qui est relativement inerte. Le résultat est une batterie qui ne stocke pas beaucoup plus d'énergie que la technologie lithium-ion, mais qui répond à de nombreuses autres limitations des batteries actuelles..

Les batteries bi-carbone peuvent charger vingt fois plus vite que la technologie lithium-ion, ne produisent pas de chaleur en cours de fonctionnement et sont beaucoup moins susceptibles de prendre feu. Ils se dégradent aussi beaucoup plus lentement (ils sont bons pour environ trois mille cycles). Comme le carbone est facilement disponible et chimiquement inoffensif, il est également bon marché, relativement non toxique et recyclable..

Chris Craney, directeur marketing de la société, pense que les batteries vont devenir un gros problème pour les voitures électriques: s'adressant à l'Atlantique, a-t-il déclaré,

“Nous avons des revendications ambitieuses […] S'il y a une entreprise de [véhicule électrique] qui veut monter au niveau de Tesla, nous serions une bonne entreprise à qui parler. […] Pour être audacieux, nous sommes convaincus que nous sommes une solution majeure pour le secteur actuel des véhicules électriques..”

La société prévoit de commencer à produire une première série de piles cette année, principalement pour les équipements médicaux..

2. Piles au lithium-air

Une autre approche pour augmenter la densité des batteries consiste à modifier la chimie de manière à ce que la réaction génératrice d’énergie tire l’oxygène de l’atmosphère extérieure (et produise de l’oxygène lors de la recharge), comme dans le cas des batteries lithium-air. IBM, entre autres, s’intéresse à cette technologie en tant que Saint Graal de la technologie de la batterie.

En utilisant l'oxygène atmosphérique au lieu de stocker l'oxygène dans la batterie, vous pouvez augmenter considérablement la densité de stockage. En théorie, vous obtenez des gains de densité jusqu'à quarante fois supérieurs à ceux des piles au lithium conventionnelles, ce qui permet aux voitures électriques de parcourir des milliers de kilomètres. sur une charge. Les prototypes existants ont doublé le nombre de cellules lithium-ion actuelles. Ces densités sont proches de la limite théorique de ce que l’on peut éventuellement obtenir avec une batterie chimique.

Cette technologie de batterie est un peu à l’écart (selon IBM, 5 à 15 ans), mais elle représente sous bien des aspects le Saint Graal des batteries chimiques - la meilleure densité possible pour un poids donné. Les batteries lithium-air rechargeables peuvent rivaliser avec l'essence en termes de densité d'énergie, un phénomène inédit dans la technologie des batteries conventionnelles. La page d'IBM pour leur projet de recherche le décrit ainsi:

De nos jours, les voitures électriques ne peuvent parcourir qu’environ 100 miles avec la technologie de batterie actuelle, appelée lithium-ion (LIB). […] Conscient de cela, IBM a lancé le projet Battery 500 en 2009 en vue de développer un nouveau type de technologie de batterie lithium-air qui devrait décupler la densité énergétique et augmenter considérablement la quantité d'énergie que ces batteries peuvent générer et stocker. Aujourd'hui, des chercheurs d'IBM ont démontré la chimie fondamentale du processus de charge et de recharge des batteries lithium-air..

1. Ultracondensateurs au graphène

Une autre approche plus spéculative pour améliorer les performances de la batterie consiste à abandonner entièrement la partie "batterie" de l'idée. Les condensateurs sont une alternative à la technologie des batteries: des plaques chargées, séparées par une résistance. L'électricité peut être stockée dans le condensateur sous forme de champ électrostatique, puis déchargée plus tard (pensez à accumuler une charge statique sur votre corps en caressant un chat, puis en le déchargeant dans une poignée de porte).

Les condensateurs classiques ont de sérieuses limites quant à la quantité de charge qu’ils peuvent stocker, ainsi qu’à la lenteur avec laquelle ils peuvent libérer cette charge. Cependant, en utilisant des matériaux tels que le graphène, dont la masse et le volume sont extrêmement élevés en surface, il est possible de créer des cellules avec une capacité et une densité d'énergie énormes comparables aux batteries conventionnelles..

Ces "ultra-condensateurs" ne se dégraderaient pas à chaque cycle de charge et pourraient être chargés en quelques secondes. Les prototypes existants ne montrent aucune réduction de capacité sur 10 000 cycles de charge et affichent une densité d'énergie comparable aux batteries lithium-ion traditionnelles. Les futures améliorations de la science matérielle pourraient conduire ces chiffres encore plus haut.

À court terme, certains initiés ont rapporté que Tesla développait un ultracondensateur au graphène capable de recharger ses batteries en quelques secondes et de doubler l'autonomie de ses voitures électriques pour atteindre 500 milles par charge. Elon Musk, pour sa part, a déjà évoqué cette idée:

“Si je devais faire une prédiction, je penserais qu'il y a de bonnes chances que ce ne soient pas des piles, mais des super-condensateurs.”

Toutes ces technologies ont probablement un rôle à jouer, à court et à long terme, alors que nous commençons à dépasser la technologie lithium-ion que nous utilisons depuis des décennies. La transition ne sera probablement pas tout à fait élégante ou aussi rapide que nous le souhaiterions, mais elle permettra de nouvelles applications et technologies qui changeront le monde pendant des décennies..

Selon vous, quelle sera la technologie énergétique du futur? S'agira-t-il de piles, de condensateurs ou de quelque chose d'autre? Partagez vos pensées dans la section des commentaires ci-dessous!