Des technologies de batterie qui vont changer le monde

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Vous voulez parcourir cinq cents milles pour un dollar? Vous voulez que votre smartphone affiche des graphiques informatiques de qualité console et se recharge une fois par semaine? Vous voulez pouvoir utiliser des accessoires portables légers de style Google Glass pendant des semaines sans vous soucier de les recharger?

Toutes ces excellentes applications technologiques attendent une meilleure technologie de batterie. La technologie de la batterie a progressé plus lentement que d'autres technologies (comme la vitesse du processeur et le stockage informatique), et est maintenant le pôle de la longue tente dans un nombre stupéfiant d'industries. Il y a de bonnes raisons de croire que nous atteignons certaines limites fondamentales de la technologie lithium-ion actuelle, et il existe un certain nombre de technologies intéressantes à l'horizon. Aujourd'hui, nous examinerons quatre des options les plus prometteuses.

De meilleures batteries permettent de rendre les voitures électriques pratiques, de détacher les appareils mobiles de l'anxiété de charge et d'activer de nouvelles classes de vêtements portables légers et durables. Voici comment ils vont procéder:

3. Batteries à double carbone

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

Les batteries au lithium-ion prennent du temps à charger - souvent plusieurs heures, même avec la meilleure technologie - et, bien que probablement plus sûres que l'essence, ils chauffent pendant le fonctionnement (en particulier les batteries hautes performances comme celles utilisées Véhicules). 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 vingt pour cent de leur capacité de stockage. C'est bien pour des marchés comme les smartphones, où les gens remplacent leurs appareils tous les ans ou tous les deux ans, mais c'est un problème pour les marchés comme le véhicule électrique, que les gens aimeraient probablement utiliser pendant des années sans avoir à remplacer une batterie toxique et chère composant.

Maintenant, une entreprise appelée "Power Japan Plus" pense qu'il a une solution, sous la forme d'une batterie «dual-carbon». Cette technologie de batterie remplace l'anode et la cathode de la batterie (positive et négative terminaux, généralement fabriqués à partir d'un métal hautement réactif comme l'oxyde de lithium) avec du carbone ordinaire, qui est assez inerte. Le résultat est une batterie qui ne stocke pas beaucoup plus d'énergie que la technologie lithium-ion, mais qui résout bon nombre des autres limitations des batteries actuelles.

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

Chris Craney, le directeur du marketing de la société, pense que les batteries seront finalement un gros problème pour les voitures électriques: en parlant à l'Atlantique, a-t-il déclaré,

«Nous avons des revendications ambitieuses […] S'il y a une entreprise [de véhicules électriques] qui veut grimper 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 l'industrie actuelle des véhicules électriques. »

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

2. Batteries lithium-air

Une autre approche pour augmenter la densité des batteries consiste à modifier la chimie afin que le la réaction de génération d'énergie attire l'oxygène de l'atmosphère extérieure (et produit de l'oxygène pendant la recharge), comme dans le cas de batteries lithium-air. Cette technologie est poursuivie par IBM, entre autres, comme un éventuel Saint Graal de la technologie des batteries.

En utilisant de l'oxygène atmosphérique au lieu de stocker l'oxygène dans la batterie, vous pouvez augmenter considérablement la densité de stockage, offrant en théorie des gains de densité pouvant atteindre quarante fois, par rapport aux piles au lithium conventionnelles, conduisant à des voitures électriques qui peuvent parcourir des milliers de kilomètres sur une charge. Les prototypes existants ont battu les cellules lithium-ion actuelles d'un facteur double. Ces densités sont proches de la limite théorique de ce qui peut éventuellement être réalisé par une batterie chimique.

Cette technologie de batterie est à certains égards (IBM estime 5 à 15 ans), mais à bien des égards, elle représente le Saint Graal des batteries chimiques - la meilleure densité possible pour un poids donné. Les batteries lithium-air rechargeables peuvent rivaliser avec l'essence pour la densité d'énergie, ce qui est du jamais vu dans la technologie des batteries conventionnelles. La page d'IBM pour leur projet de recherche le décrit comme suit:

De nos jours, les voitures électriques ne peuvent parcourir qu'une centaine de kilomètres avec la technologie de batterie actuelle, appelée lithium-ion (LIB). […] Conscient de cela, IBM a lancé le projet Battery 500 en 2009 pour développer un nouveau type de technologie de batterie lithium-air qui devrait décupler la densité d'énergie, augmentant considérablement la quantité d'énergie que ces batteries peuvent générer et boutique. Aujourd'hui, les chercheurs d'IBM ont réussi à démontrer 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. Une alternative à la technologie de la batterie est ce que l'on appelle les condensateurs: 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 sur l'accumulation d'une charge statique sur votre corps en caressant un chat, puis en déchargeant votre corps dans un poignée de porte).

Les condensateurs conventionnels ont de sérieuses limites à la quantité de charge qu'ils peuvent stocker, ainsi qu'à la vitesse à laquelle ils peuvent libérer cette charge. Cependant, en utilisant des matériaux comme le graphène, qui ont des surfaces extrêmement élevées pour leur masse et leur volume, il est possible de créer des cellules avec d'énormes capacités et densités d'énergie comparables à celles conventionnelles piles.

Ces «ultracondensateurs» ne se dégraderaient pas à chaque cycle de charge et pourraient être chargés en quelques secondes. Prototypes existants ne montrent aucune réduction de capacité sur 10 000 cycles de charge et présentent une densité d'énergie comparable aux batteries lithium-ion traditionnelles. Les améliorations futures de la science des matériaux pourraient faire grimper ces chiffres encore plus.

À court terme, certains initiés rapportent que Tesla développe un ultracondensateur au graphène qui pourrait charger en quelques secondes et doubler l'autonomie de ses voitures électriques à 500 miles par charge. Elon Musk, pour sa part, a mentionné l'idée avant:

"Si je devais faire une prédiction, je pense qu'il y a de fortes chances que ce ne soit pas des batteries, 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 entièrement gracieuse, ni aussi rapide que nous le souhaiterions, mais elle permettra de nouvelles applications et technologies qui changeront le monde pour les décennies à venir.

Selon vous, quelle sera la technologie énergétique du futur? Sera-ce des batteries, des condensateurs ou autre chose? Partagez vos pensées dans la section des commentaires ci-dessous!