Comment créer des batteries de téléphone qui durent plus longtemps?

Professeur Akira Yoshino Copyright de l’image Ashai Kasei
Image caption Le professeur Akira Yoshino (au centre) a reçu le prix Nobel de chimie en 2019.

Lorsque le professeur Akira Yoshino développait une nouvelle technologie de batterie dans son laboratoire au début des années 1980, il ne pensait pas que cela représenterait beaucoup quelques années plus tard.

"A l'époque, nous pensions qu'il serait principalement utilisé dans les caméras vidéo 8 mm", dit-il en riant.

Il était bien loin du compte.

De nos jours, vous n'êtes jamais à plus de quelques centimètres d'une batterie lithium-ion, car elle alimente les téléphones portables et toutes sortes d'autres appareils électroniques, des brosses à dents aux scooters électriques.

En reconnaissance de ce succès, le professeur Yoshino a reçu le prix Nobel de chimie en 2019.

Mais malgré des améliorations, même les batteries lithium-ion les plus avancées ne peuvent stocker qu'une fraction de l'énergie d'un poids similaire d'essence ou de carburéacteur.

Et cela freine les ambitions pour des appareils encore plus petits et plus légers - et pour des projets plus ambitieux comme l'aviation à propulsion électrique.

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De solides progrès

Les batteries ont besoin de progresser, admet le professeur Yoshino, mais heureusement, "il y a beaucoup d'approches intéressantes".

Et "la batterie à semi-conducteurs, je pense, est une batterie prometteuse", dit-il.

Les batteries à l'état solide peuvent stocker 50 % plus d'énergie que les batteries au lithium-ion, explique Douglas Campbell, directeur général de Solid Power, une entreprise liée à l'université du Colorado.

Elles sont également plus stables.

Dans les batteries lithium-ion, le gel à l'intérieur, l'électrolyte, peut brûler.

En 2016, Samsung a rappelé 2,5 millions de portable de type Galaxy Note 7 après des incendies impliquant leurs batteries lithium-ion.

Les batteries lithium-ion de nos appareils électroniques sont aujourd'hui omniprésentes et pourraient durer plus longtemps.

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Image caption Les batteries au lithium-ion de la Galaxy Note 7 étaient sujettes à la surchauffe.

Les piles à l'état solide remplacent ce gel par des polymères solides ou des céramiques moins inflammables.

Mais les batteries développées par l'entreprise de M. Campbell nécessitent toujours du lithium sous sa forme métallique et c'est un problème car c'est un métal dur à travailler.

Un autre problème est que le lithium métal n'est pas encore raffiné à l'échelle industrielle, de sorte qu'il pourrait être difficile, selon M. Campbell, d'en obtenir juste assez.

Mais malgré ces inquiétudes, les batteries à l'état solide ont "fait une percée dans la recherche fondamentale, et la recherche et le développement pour les techniques de production de masse progressent", déclare le professeur Yoshino.

Il pense qu'il faudra encore 10 ans pour que les batteries à l'état solide puissent concurrencer le lithium-ion en termes de prix.

Les yeux fixés sur le prix

L'objectif sur le marché actuel est la batterie pour les voitures électriques.

Le nombre de véhicules électriques dans le monde atteindra 125 millions d'ici 2030, prévoit l'Agence internationale de l'énergie.

L'innovation dans le domaine des batteries est "dirigée en grande partie par ce qui se passe sur le marché des véhicules électriques", affirme Rory McCarthy, analyste chez Wood Mackenzie, une société de recherche en énergie.

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Fabriqué sur Terre: les semiconducteurs

M. McCarthy affirme que le défi pour la batterie à l'état solide et les autres nouvelles technologies est de concurrencer les usines au lithium-ion, qui sont de plus en plus grandes et qui rendent leurs batteries moins chères.

Il faut quatre à cinq ans pour qu'une nouvelle usine de fabrication de batteries atteigne sa pleine capacité et 10 ans pour récupérer son argent, ajoute-t-il.

Des watts d'avance

La technologie lithium-ion elle-même n'est pas une impasse.

"Nous apprenons de nouveaux principes auxquels nous n'avions jamais pensé auparavant", dit le professeur Yoshino.

Cela inclut le mouvement des ions lithium à l'intérieur des batteries. "Nous pensions avoir compris cela, ajoute-t-il.

Mais maintenant, les scientifiques doivent revoir leur compréhension, car "ce n'est pas ce à quoi nous nous attendions".

"Oui, ça continue et ça ne finit jamais", dit-il en riant.

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Image caption Sila Nanotechnologies travaille sur l'amélioration des batteries lithium-ion

Gene Berdichevsky affirme que seules les batteries lithium-ion peuvent avoir un impact "significatif" sur les batteries dans un avenir proche et encourager l'adoption massive des véhicules électriques.

Sa société californienne, Sila Nanotechnologies, développe des batteries lithium-ion qui peuvent potentiellement fournir une amélioration de 40% de la densité énergétique.

Pour ce faire, ils remplacent les anodes en graphite (la partie de la batterie où le courant circule) par du silicium.

"Nous avons besoin d'investissements et d'innovations continus dans les batteries lithium-ion", dit-il.

L'aviation électrique ?

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Image caption L'avion électrique neuf places d'Eviation fait partie des pionniers de l'aviation électrique.

Une meilleure densité de batterie pourrait faire une grande différence dans notre façon de vivre.

Les avions rejettent 500 millions de tonnes de CO2 dans l'atmosphère chaque année.

Mais avec de meilleures batteries, les avions peuvent utiliser une énergie plus propre et cette révolution est déjà en cours.

Cette année, le salon aéronautique de Paris a vu un prototype d'avion commercial entièrement électrique, fabriqué par la start-up israélienne Eviation.

La compagnie aérienne régionale américaine Cape Air a passé une commande à deux chiffres.

Entre-temps, Harbour Air du Canada a déclaré, en mars, qu'elle avait l'intention de devenir la première compagnie aérienne entièrement électrique au monde.

Avec 30% des vols de moins de 300 miles, les vols court-courriers devraient être faciles à passer à l'électrique, selon la start-up Wright Electric de Los Angeles.

En plus, des batteries beaucoup plus denses pourraient aussi électrifier de gros camions qui dépendent aujourd'hui des carburants fossiles.

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Image caption Le fauteuil roulant de Curt Oswalt est alimenté par des piles.

En attendant, de meilleures batteries pourraient changer la vie de nombreuses personnes.

"J'ai un fauteuil tout-terrain à six roues", dit Curt Oswalt, un ancien traducteur de l'armée de l'air américaine qui utilise un fauteuil roulant alimenté par batterie après une blessure en 2002.

"Mes piles ont commencé à se décharger, il y a environ deux ans", dit-il.

Un soir, incapable de dormir, il est allé se promener dans son quartier de la campagne texane à 13 heures.

"Mon indicateur de batterie est passé des trois quarts à l'état mort, en moins de trois secondes, dit-il.

Échoué, il a dû attendre sous un lampadaire jusqu'à 4 h 30, lorsqu'un shérif le trouve et l'aide à rentrer chez lui.

Une panne de batterie plus récente l'a empêché de quitter sa maison sans aide pendant neuf jours.

"Alors oui," dit-il, "j'ai hâte d'avoir de meilleures batteries !"

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Les voitures électriques pourraient bientôt alimenter vos maisons en énergie