Quelle quantité d’énergie peut contenir une batterie?
«Il n’y a pas de réponse absolue à cette question, cela dépend des matériaux utilisés», indique M. Rosa Palacín. «Toutefois, l’énergie d’une batterie ne peut pas être augmentée à l’infini, il y a des limites physiques.» M. Rosa Palacín explique qu’il n’existe pas de normes établies sur la manière d’estimer sur le plan théorique le contenu énergétique maximum d’une batterie, car cela dépend d’un éventail de facteurs qui entrent en concurrence. La contrainte la plus évidente est fixée par la chimie. Les batteries sont généralement constituées de deux matériaux différents connectés par un milieu électrolytique. Tout comme les électrons qui se déplacent d’un bout du circuit à l’autre, les ions traversent les électrolytes dans la direction opposée, ce qui permet au processus de se poursuivre. Dans les années 1990, de nombreux dispositifs électroniques grand public dépendaient de batteries volumineuses au nickel-cadmium. Le cadmium, un élément toxique, a ensuite été remplacé par des alliages afin de créer des batteries hybrides nickel-métal, qui offraient une meilleure densité énergétique. Aujourd’hui, les smartphones et d’autres dispositifs portables utilisent habituellement le lithium dans leurs batteries, qui peuvent contenir une quantité encore plus élevée d’énergie dans le même volume. La quantité d’énergie qui peut être contenue dans une batterie dépend également de la conception physique de la batterie elle-même, qui est déterminée par l’application ciblée. À propos justement des applications ciblées, qu’est-ce qui nous empêche de concevoir une batterie de téléphone qui dure une semaine? «Cela était possible avec la première génération de téléphones portables, qui avaient un écran très petit en noir et blanc», se souvient M. Rosa Palacín. Mais les smartphones actuels font face à toute une série de défis, y compris des écrans de grande taille, en couleur et énergivores, des petits compartiments de batterie et le besoin d’être connectés à internet constamment. C’est pourquoi, bien qu’elles soient plus grandes et dotées d’une technologie plus avancée, les batteries des téléphones modernes durent beaucoup moins de temps. «Il y a toujours un compromis à trouver, les performances des batteries lithium-ion (Li-ion) se sont améliorées, mais les dispositifs requièrent toujours plus d’énergie», explique M. Rosa Palacín.
La puissance du futur
María Rosa Palacín, chercheuse à l’Institut des sciences des matériaux de Barcelone, en Espagne, travaille sur une nouvelle génération de batteries à base de calcium. «L’un des problèmes associés au lithium métal est que la répétition des cycles de recharge entraîne la croissance de dendrites, des petites protubérances, sur l’électrode négative. À terme, cela peut créer un court-circuit et provoquer l’explosion de la batterie.» C’est pour cette raison que les batteries au lithium les plus courantes utilisent une électrode de graphite, ce qui réduit leur densité énergétique. En remplaçant le lithium par le calcium, il serait possible de résoudre ce problème, ainsi que d’offrir des densités énergétiques plus élevées, puisque des électrodes métalliques pourraient être utilisées. Tous les ions de calcium transportés à travers la batterie déplacent également deux électrons, alors que les batteries Li-ion n’en déplacent qu’un seul. Enfin, les batteries à base de calcium utilisent un métal qui est moins cher et bien plus abondant que le lithium. Existe-t-il un matériau susceptible de détrôner le lithium en matière de puissance portable? Le sodium présente une chimie similaire à celle du lithium, de sorte que le savoir-faire obtenu grâce à la technologie Li-ion pourrait lui être appliquée, par ailleurs cet élément est très abondant. «Mais aucun métal n’est aussi adapté que le lithium», ajoute M. Rosa Palacín. «Il est possible d’imaginer une batterie lithium-fluor, car le fluor est très réactif. Nous pouvons spéculer sur la capacité énergétique d’une batterie de ce type, mais le fluor est un gaz corrosif... Alors, comment ça fonctionnerait exactement?» Pour obtenir encore plus de joules par kilogramme de batterie il faudrait probablement une révolution technologique, à savoir le passage à des batteries à l’«état solide» qui n’ont pas d’électrolytes liquides et où le lithium métal pourrait possiblement servir d’électrode. Cela est plus facile à dire qu’à faire et, actuellement, cette technologie n’existe qu’à l’état de prototype. «Comme vous pouvez l’imaginer, le déplacement d’ions à travers un solide n’est pas aussi facile qu’à travers un liquide», explique M. Rosa Palacín. Néanmoins, les batteries à l’état solide offriraient un large éventail d’avantages, comme des densités énergétiques bien plus élevées et beaucoup moins de risques d’explosion. Elles pourraient même permettre à votre téléphone de tenir jusqu’à la fin de la journée. Cliquez ici pour en savoir plus sur les recherches de M. Rosa Palacín: Fabriquer une batterie plus performante.
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