Pourquoi les smartphones peuvent-ils obtenir une mise à niveau avec cette nouvelle technologie de batterie?

Il y a plus de téléphones mobiles dans le monde que de personnes. Presque tous sont alimentés par des batteries lithium-ion rechargeables, qui constituent le composant le plus important qui a permis la révolution de l'électronique portable des dernières décennies. Aucun de ces appareils ne serait attrayant pour les utilisateurs s’ils n’avaient pas assez de puissance pour durer au moins plusieurs heures sans être particulièrement lourds.

Les batteries lithium-ion sont également utiles dans les grandes applications, telles que les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie sur réseau intelligent. Et les innovations des chercheurs en science des matériaux, visant à améliorer les batteries lithium-ion, ouvrent la voie à encore plus de batteries offrant des performances encore meilleures. Il existe déjà une demande de formation de batteries de grande capacité qui ne prennent pas feu ni n'explosent. Et beaucoup de personnes ont rêvé de batteries plus petites et plus légères, capables de se charger en quelques minutes, voire en quelques secondes, tout en conservant assez d'énergie pour alimenter un appareil pendant des jours.

Des chercheurs comme moi, cependant, pensent de manière encore plus aventureuse. Les voitures et les systèmes de stockage sur réseau seraient encore meilleurs s'ils pouvaient être déchargés et rechargés des dizaines de milliers de fois au cours de nombreuses années, voire de plusieurs décennies. Les équipes de maintenance et les clients aimeraient les batteries capables de se surveiller elles-mêmes et d'envoyer des alertes si elles étaient endommagées ou si elles ne fonctionnaient plus au maximum de leurs performances - ou même si elles étaient capables de se réparer elles-mêmes. Et il ne faut pas trop rêver de batteries double usage intégrées dans la structure d’un article, permettant de façonner la forme d’un smartphone, d’une voiture ou d’un bâtiment tout en optimisant ses fonctions.

Tout cela deviendra possible grâce à mes recherches et à celles d’autres personnes qui aideront des scientifiques et des ingénieurs à maîtriser de plus en plus le contrôle et la manipulation de la matière à l’échelle des atomes.

Matériaux émergents

Pour l'essentiel, les progrès en matière de stockage d'énergie reposeront sur le développement continu de la science des matériaux, repoussant les limites de performance des matériaux de batterie existants et sur le développement de structures et de compositions de batterie entièrement nouvelles.

L’industrie des batteries s’efforce déjà de réduire le coût des batteries lithium-ion, notamment en retirant le cobalt coûteux de leurs électrodes positives, appelées cathodes. Cela réduirait également le coût humain de ces batteries, car de nombreuses mines au Congo, première source mondiale de cobalt, utilisent des enfants pour effectuer des travaux manuels difficiles.

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Les chercheurs ont trouvé des moyens de remplacer les matériaux contenant du cobalt par des cathodes principalement en nickel. Éventuellement, ils pourront peut-être remplacer le nickel par du manganèse. Chacun de ces métaux est meilleur marché, plus abondant et plus sûr que son prédécesseur. Mais ils viennent avec un compromis, car ils ont des propriétés chimiques qui raccourcissent la durée de vie de leurs batteries.

Les chercheurs envisagent également de remplacer les ions lithium qui assurent la navette entre les deux électrodes par des ions et des électrolytes qui pourraient être meilleur marché et potentiellement plus sûrs, comme ceux à base de sodium, de magnésium, de zinc ou d'aluminium.

Mon groupe de recherche examine les possibilités d'utilisation de matériaux bidimensionnels, essentiellement des feuilles de substances extrêmement minces dotées de propriétés électroniques utiles. Le graphène est peut-être le plus connu d'entre eux - une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur. Nous voulons voir si l'empilement de couches de divers matériaux bidimensionnels, puis l'infiltration d'eau ou d'autres liquides conducteurs dans la pile pourraient être des composants clés des batteries qui se rechargent très rapidement.

Regardant à l'intérieur de la batterie

Il ne s’agit pas uniquement de nouveaux matériaux qui élargissent le monde de l’innovation dans le domaine des batteries: de nouveaux équipements et méthodes permettent également aux chercheurs de voir ce qui se passe dans les batteries beaucoup plus facilement qu’il n’était possible auparavant.

Dans le passé, les chercheurs utilisaient un processus de charge-décharge ou un nombre de cycles particulier pour une batterie, puis retiraient le matériau de la batterie et l'examinaient après coup. C’est seulement à ce moment-là que les spécialistes pourront comprendre les modifications chimiques survenues au cours du processus et en déduire le fonctionnement réel de la pile et les conséquences de ses performances.

Mais à présent, les chercheurs peuvent observer les matériaux de la batterie pendant leur stockage en analysant même leur structure et leur composition atomiques en temps réel. Nous pouvons utiliser des techniques de spectroscopie sophistiquées, telles que les techniques à rayons X disponibles avec un type d'accélérateur de particules appelé synchrotron - ainsi que les microscopes électroniques et les sondes à balayage - pour observer le mouvement des ions et la modification des structures physiques à mesure que l'énergie est stockée et libérée par les matériaux. dans une batterie.

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Ces méthodes permettent aux chercheurs comme moi d'imaginer de nouvelles structures et de nouveaux matériaux pour les batteries, de les fabriquer et de voir si elles fonctionnent ou non. De cette façon, nous pourrons poursuivre la révolution des matériaux de batterie.

Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation par Veronica Augustyn. Lisez l'article original ici.