Le monde attend une percée de la batterie. Presque tous les secteurs de l’industrie électronique, tout ce qui est alimenté par une batterie est limité par la puissance et la durée de vie des batteries qui l’exploitent.
Contenu connexe
- Pourquoi le sel est l'atout le plus précieux de cette centrale
- Vous n'auriez jamais besoin de brancher ce téléphone cellulaire sans pile
«Les progrès ou l'avancement des batteries sont beaucoup plus lents que dans d'autres domaines, ce qui constitue une limitation intrinsèque des batteries», déclare Stefano Passerini, rédacteur en chef du Journal of Power Sources . «Vous ne pouvez pas vous attendre à une batterie capable de fournir de l'énergie à un téléphone portable pendant une semaine ou un mois. À la toute fin, la quantité maximale d'énergie que vous pouvez stocker dans une batterie est déterminée par les éléments disponibles. ”
Mais il y a du progrès. Les chercheurs travaillent sur l'amélioration de la densité énergétique (jus par poids et volume), le prix, la sécurité, l'impact environnemental et même la durée de vie des piles lithium-ion les plus populaires, ainsi que sur la conception de nouveaux types.
La plupart des batteries se trouvent dans trois industries principales: l'électronique grand public, l'automobile et le stockage en réseau.
«Je les appelerais les trois grands bassins où les gens se croisent avec des batteries», déclare Venkat Srinivasan, directeur adjoint de la recherche et du développement au Joint Center for Energy Storage Research du ministère de l'Énergie. Chaque seau a des exigences différentes, de sorte que les batteries utilisées peuvent (parfois) être très différentes les unes des autres. Ce téléphone dans votre poche a besoin d’une batterie compacte et sûre, mais son poids et son coût sont moins importants. Adaptez-vous aux batteries automobiles et, avec autant de batteries, le coût et le poids deviennent importants, de même que la durée de vie du cycle (vous seriez très en colère si cette nouvelle Tesla avait besoin de nouvelles batteries tous les deux ans). Évoluez encore plus, et les batteries qui commencent à être utilisées pour stocker de l'énergie pour les maisons et le réseau ont très peu d'exigences en poids et en taille.
Depuis des décennies, les appareils électroniques grand public (téléphone, ordinateur, appareil photo, tablette, drones et même votre montre) fonctionnent avec des batteries au lithium-ion, grâce à leur facilité de recharge et à leur densité d'énergie élevée. Dans ces batteries, un réseau de graphite, bourré d'ions lithium, forme l'anode. Un oxyde forme la cathode, connectée à la borne opposée, et les deux sont séparés par un électrolyte liquide qui permet aux ions de la traverser. Lorsque les bornes externes sont connectées, le lithium s'oxyde et les ions s'écoulent vers la cathode. La charge est juste l'inverse. Plus le nombre d'ions lithium pouvant être transférés de cette manière est important, plus la batterie peut contenir d'énergie. Nous en sommes venus à apprécier la taille compacte et la facilité d'utilisation, sinon la durée de vie et la sécurité de la batterie. Mais il n’ya peut-être pas beaucoup de progrès à faire, déclare Passernini.
«Maintenant, les batteries lithium-ion sont un peu proches de la limite», dit-il. "Bien que nous le disions déjà il y a environ 10 ans, et les améliorations au cours des 10 dernières années ont été assez substantielles."
Dans le cas des voitures, les batteries sont en fin de compte responsables de la durée de vie de la voiture et de l’inquiétude redoutée en matière de portée des véhicules électriques. Pour résoudre ce problème, ingénieurs et scientifiques tentent d’intégrer davantage de capacité de tension dans les batteries. Mais cela est souvent associé à des réactions chimiques défectueuses, qui diminuent la capacité avec le temps. De nombreuses recherches sont consacrées à la recherche de nouveaux matériaux et produits chimiques pour assister ou remplacer le réseau lithium-ion ou d'autres parties de la batterie.
Srinivasan souligne quelques innovations potentielles, qui ne concernent pas uniquement les voitures: le réseau d’anodes en graphite traditionnel pourrait être remplacé par du silicium, qui contient 10 fois plus d’ions lithium. Mais le silicium a tendance à se dilater au fur et à mesure qu’il absorbe le lithium, les batteries devront en tenir compte. Ou bien: au lieu du réseau, le lithium métal pourrait jouer le rôle d'anode, à condition que nous puissions trouver un moyen d'éviter toute distorsion catastrophique lors de la recharge. C'est un problème que les fabricants de batteries tentent de résoudre depuis que la batterie lithium-ion a été inventée il y a plusieurs décennies. «Nous sommes très optimistes à un moment où ce problème de 30 ans pourra peut-être être résolu à nouveau», a déclaré Srinivasan.
Le lithium pourrait peut-être être entièrement remplacé. Les chercheurs étudient des moyens d'utiliser plutôt le sodium ou le magnésium, et le Joint Center for Energy Storage Research utilise une modélisation informatique pour étudier des matériaux à base d'oxydes conçus sur mesure qui pourraient servir de cathode à une anode en magnésium. Le magnésium est particulièrement attrayant car sa structure lui permet d’accepter deux électrons par atome, ce qui double la charge qu’il peut contenir.
Prashant Jain et ses collaborateurs de l'Université de l'Illinois travaillent sur une facette différente des batteries au lithium: l'électrolyte. L'électrolyte est le fluide qui remplit l'espace entre le cation (ion chargé positivement) et l'anion (ion chargé négativement), permettant ainsi aux particules chargées de s'écouler. On sait depuis longtemps que certains matériaux solides, comme le séléniure de cuivre, permettront également aux ions de circuler, mais pas assez rapidement pour faire fonctionner des appareils très puissants. Jain, professeur adjoint de chimie, et ses étudiants ont mis au point un solide superionique, composé de nanoparticules de séléniure de cuivre, ayant des propriétés différentes. Il permet aux particules chargées de s'écouler à une vitesse comparable à celle d'un électrolyte liquide.
Les avantages potentiels de cette technologie sont doubles: sécurité et cycle de vie. Si une batterie lithium-ion actuelle est endommagée, elle court-circuite et chauffe. Le liquide se vaporise et rien n’est là pour empêcher une décharge rapide d’énergie - boum. Un solide évitera ce court-circuit et autorisera une anode entièrement en métal, qui offre une plus grande capacité énergétique. De plus, au cours de cycles répétés, des électrolytes liquides commencent à dissoudre la cathode et l’anode, ce qui est une des principales raisons pour lesquelles les batteries ne parviennent pas à charger.
«Il y a eu toutes ces améliorations incrémentielles qui ont en fait fait des progrès. Mais il n’ya jamais eu de technologie révolutionnaire révolutionnaire qui permette de dire que l’électrolyte solide correspond vraiment au potentiel de transport des ions que les électrolytes liquides [peuvent] [, ] dit Jain. «Maintenant que les problèmes de sécurité sont au premier plan, avec les électrolytes liquides, les chercheurs ont été comme, il faudrait peut-être penser à quelque chose de dramatique avec des électrolytes solides et, une fois pour toutes, en créer un qui puisse remplacer un électrolyte liquide.
John Goodenough, co-inventeur de la batterie lithium-ion, développe une batterie avec un électrolyte à base de verre. (Cockrell School of Engineering, Université du Texas à Austin) L'un des co-inventeurs de la batterie lithium-ion d'origine lui-même prend une autre solution vis-à-vis des électrolytes à l'état solide: John Goodenough, professeur émérite d'ingénierie à l'Université du Texas, a publié et déposé une demande de brevet pour une batterie avec verre électrolyte à base de. En imprégnant le verre de lithium ou de sodium, Goodenough a pu permettre au courant de s'écouler encore plus rapidement tout en évitant les courts-circuits et en augmentant la capacité énergétique avec une anode solide.
Toutes ces recherches vont influencer les piles de nos poches et de nos automobiles. Mais il existe une troisième catégorie, où les impacts sont globaux.
Melanie Sanford utilise des outils de modélisation sur un type de batterie différent: d'énormes batteries à flux redox qui stockent l'électricité provenant de centrales d'énergie renouvelable et la libèrent lorsque le vent et le soleil ne sont pas disponibles. En relançant les hauts et les bas de la production et de la consommation d’énergie, les énergies renouvelables pourront se développer et fournir plus que de l’énergie supplémentaire.
Southern California Edison expérimente déjà des bancs de batteries, en utilisant des batteries de voiture Tesla, mais comme les batteries sont à base de lithium ionique, elles sont trop chères à utiliser à une échelle permettant l'énergie renouvelable globale. En outre, les contraintes pour une batterie de réseau sont très différentes de celles d'une voiture. Le poids et la taille ne sont pas un problème, mais le prix et la durée de vie sont.
Dans une batterie à flux redox, le matériau de stockage d'énergie est maintenu sous forme liquide dans de grands réservoirs, puis pompé vers une cellule plus petite où il réagit avec un appareil similaire ayant la charge opposée. La modélisation informatique a permis au laboratoire de Sanford de concevoir des molécules organiques sur mesure, ce qui a multiplié par mille, de moins d'un jour à plusieurs mois, la durée pendant laquelle ces molécules restent stables.
«Pour la source à l'échelle du réseau, ce dont vous avez besoin, ce sont des matériaux très bon marché, car nous parlons de batteries énormes», déclare Sanford. "Nous parlons d'un parc éolien, puis d'une zone comparable d'entrepôts abritant ces batteries."
Selon Sanford, les innovations proviendront à la fois de la science des matériaux - du développement de nouveaux matériaux à intégrer dans nos batteries - et des ingénieurs qui rendront les systèmes construits autour de ces matériaux plus efficaces. Les deux seront nécessaires, mais le pipeline de la recherche à la production constituera nécessairement un autre goulot d'étranglement.
«Tout le monde doit savoir qu’il n’existe pas une seule batterie qui puisse s’adapter à toutes les applications», déclare Passerini. «Il est clair que même gagner un peu - 10%, 20% de performance - est un gros problème. Nous devons faire des recherches sur le terrain. Les scientifiques doivent être soutenus. ”
