Les scientifiques du monde entier se concentrent aujourd’hui sur l’amélioration des performances des batteries en termes d’autonomie, de durée de vie, de taille, de poids, … tout en tenant compte du prix et en faisant en sorte que la commercialisation en masse de ces nouvelles batteries soit possible. En effet, les batteries Lithium-ion sont présentent dans une large partie de nos appareils électriques et électroniques mobiles. Les derniers développements et expérimentations dans le domaine pourraient bien changer la donne sur le marché des batteries.

Principe de fonctionnement de la batterie Lithium-ion

Dans un électrolyte liquide contenant des ions mobiles, deux électrodes (anodes et cathodes) sont séparées par une membrane perméable aux ions. Lorsque la batterie est en charge, les ions mobiles se déplacent dans le liquide de la cathode vers l’anode ce qui crée une accumulation électrochimique accompagnée d’une différence de potentiel entre les 2 électrodes. Lorsque la batterie se décharge, les ions retournent vers la cathode via le liquide. Le courant électrique induit par la différence de potentiel disparaît avec celle-ci et un nouveau cycle de chargement de la batterie est nécessaire.

Aperçu des dernières évolutions

-        Utilisation de nouveaux matériaux pour les électrodes : ces nouveaux matériaux permettraient de réduire le temps de charge de la batterie et augmenterait sa capacité de stockage. Au Texas, des chercheurs sont parvenus à des taux de charge-décharge de l’ordre de 20 s tout en conservant une longue durée de vie pour la batterie (après 1 000 cycles la capacité de retenue des électrodes est à plus de 90% de leur capacité initiale). D’autres chercheurs ont combiné du graphène et du dioxyde d’étain et ont constaté qu’après 50 cycles de charge-décharge, la capacité de l’anode était encore de plus du double de la capacité des anodes utilisées couramment dans les batteries Lithium-ion.

-        Meilleure compréhension des mécanismes par lesquels les ions de lithium se déplacent : des chercheurs du Nouveau Mexique ont démontré qu’une particule de l’électrode se décharge complètement en absorbant tout le lithium, puis la suivante fait de même et ainsi de suite. Auparavant, on croyait que toutes les particules se transformaient en même temps. La limite de la charge et de la décharge se situe donc au démarrage de la phase de transformation et ne provient donc pas de la taille des particules comme on le pensait. En Californie des chercheurs sont parvenus à créer à l’aide de modèles mathématiques, un algorithme sophistiqué permettant de connaître la position de l’ion à l’intérieur de l’anode mais aussi de vérifier l’état de la batterie avec le temps (baisse de la capacité au fur et à mesure des cycles de charge et de décharge). L’algorithme permet un fonctionnement plus efficace des batteries, une diminution de +/- 25% de leur coût et la vitesse de charge pourrait être doublée par rapport à ce qui se fait actuellement.

-        Un électrolyte (matériau dans lequel se déplacent les ions) solide : la solution liquide utilisée actuellement dans les batteries Lithium-ion est hautement inflammable. Les risques d’explosion sont d’autant plus grands que la densité énergétique des batteries est grande. Un laboratoire du Tennessee a manipulé le lithium triphosphate (matériau très stable compatible avec une anode métallique de lithium) par un processus chimique appelé nanostructuration. La structure du matériau est alors devenue poreuse et les ions se déplacent 1 000 fois plus vite. Ainsi, on peut s’affranchir des risques d’explosion tout en gardant un cycle de charge-décharge efficace. La manipulation se fait à température ambiante ce qui facilite la production à grande échelle.

-        Miniaturisation des batteries et impression 3D : cette évolution ouvrirait des portes vers la miniaturisation de dispositifs électroniques pour des applications en médecine ou en communication où la trop grosse taille des batteries pose souvent problème. Grâce à des encres spéciales faites de nanoparticules, des chercheurs du Massachusetts et de l’Illinois ont imprimé en 3D des batteries de la taille d’un grain de sable avec une capacité de stockage suffisante pour alimenter de petits dispositifs électroniques. L’imprimante crée un empilement fin d’entrelacement d’anodes et de cathodes et le tout est alors incorporé dans un container rempli d’électrolyte liquide.

-        Et dans le futur ? Parmi les idées révolutionnaires, on note les batteries flexibles à intégrer un peu partout dans notre quotidien ou sous forme de peinture. Des chercheurs sont parvenus à rendre liquide les constituants des différentes couches des batteries et à pulvériser successivement les différentes couches qui constituent la batterie sur différentes surfaces. On pourrait ainsi imaginer des maisons recouvertes des panneaux solaires dissimulés dans la peinture des murs et qui seraient ainsi énergétiquement autonomes. Mais il reste cependant plusieurs difficultés à surmonter pour que cette innovation soit effective et commercialisable.