Des batteries plus sûres et plus durables

Alors que les récents rappels massifs ont mis en évidence les problèmes de sécurité des batteries lithium-ion, les technologies de batterie d'aujourd'hui présentent en fait un certain nombre de faiblesses. Si elles sont endommagées, surchargées ou surchauffées, les batteries peuvent exploser (voir Batteries lithium-ion plus sûres ). Mais ils fuient également de l'énergie et perdent de la puissance et de la longévité s'ils sont utilisés à des températures extrêmes, par exemple un jour d'hiver dans l'Iowa ou une vague de chaleur en Arizona.

Les batteries à couche mince de longue durée pourraient alimenter les implants médicaux et les capteurs à distance pendant des décennies, et éventuellement être utilisées dans les véhicules électriques.

Un nouveau type de batterie rechargeable sera bientôt disponible dans le commerce qui résout ces problèmes. Mais à un prix.

Ces nouvelles batteries remplacent l'électrolyte liquide ou gel par de fines couches de matériaux solides de type verre ou polymère, qui sont plus stables. Rien ne peut fuir, rien ne peut geler, rien ne peut bouillir, se rompre ou exploser, déclare Tim Bradow, vice-président du développement commercial chez Infinite Power Solutions de Golden, CO, l'un des principaux développeurs de batteries à couches minces.

Dans une batterie, l'électrolyte permet aux ions positifs de se déplacer d'une électrode à l'autre, tout en forçant les électrons à voyager à travers un circuit externe, fournissant de l'énergie. L'entreprise de Bradow et une poignée d'autres utilisent un électrolyte vitreux solide, qu'elles déposent comme l'une des séries de couches plates qui composent la batterie.

En plus d'être plus sûr, ce matériau solide permet aux développeurs d'utiliser des électrodes de lithium métal pur, ce qui a le potentiel d'augmenter considérablement la capacité de stockage. Les batteries peuvent survivre à des températures extrêmes, ce qui signifie, par exemple, qu'elles peuvent être intégrées dans des pneus en caoutchouc pour alimenter des capteurs de pression d'air, explique John Bates, directeur technique d'Oak Ridge Micro-Energy dans le Tennessee.

Les cellules à couche mince peuvent également être stockées pendant des décennies et conserver presque toute leur charge, disent les développeurs, et fournir une puissante explosion d'énergie lorsque cela est finalement nécessaire. Et, dans de nombreuses applications, ils peuvent être utilisés activement pendant des décennies, car ils peuvent être chargés et déchargés des dizaines de milliers de fois.

Ces caractéristiques font des batteries à couche mince idéales pour certaines nouvelles technologies. Les capteurs à distance qui récupèrent de minuscules quantités d'énergie des vibrations, des transmissions radio ou de la lumière, nécessitent des piles capables de stocker cette micro-alimentation d'énergie sans la laisser s'échapper avec le temps. Et les capteurs distants ont besoin des rafales haute puissance que beaucoup de ces cellules peuvent fournir, pour envoyer des données via des signaux radio à une station centrale.

La capacité d'alimenter la transmission radio est également importante pour les futurs implants médicaux qui délivreront des médicaments ou mesureront les niveaux de glucose. Et ces applications bénéficieront également de la longue durée de vie des batteries ; ils peuvent être rechargés et déchargés pendant de nombreuses années, éliminant ainsi le besoin d'une intervention chirurgicale pour les remplacer. C'est le type de batterie parfait pour alimenter n'importe quel appareil RF, car il s'agit d'une alimentation par impulsions qui s'allume instantanément, puis passe en mode veille, explique Bradow. C'est ce que notre batterie aime et les autres batteries détestent. Son entreprise prévoit de commencer à produire en série ses batteries l'année prochaine.

Néanmoins, les batteries à couche mince peuvent ne pas être le choix de nouvelle génération pour la plupart des ordinateurs portables. En effet, les procédés utilisés pour les fabriquer, tels que le dépôt physique en phase vapeur, sont encore trop coûteux pour produire de grandes batteries. En outre, ces batteries, qui peuvent mesurer à peine un dixième de millimètre d'épaisseur, ne contiennent chacune que des micro-quantités d'énergie, à peine un millième de celles des batteries d'ordinateurs portables d'aujourd'hui. Alors qu'ils pourraient être empilés pour fournir une capacité de stockage adéquate, les couches d'emballage séparant les matériaux actifs dans chaque batterie annuleraient leurs avantages de capacité. Autrement dit, ils coûteraient probablement plus cher, mais pas nécessairement plus petits.

Les premières applications, telles que les ensembles de capteurs industriels dans les équipements à haute température ou les puits de pétrole, seront celles dans lesquelles les acheteurs sont prêts à payer 100 $ pièce pour des batteries qui répondent à leurs besoins. Bradow dit que leurs batteries pourraient être fabriquées pour beaucoup moins cher dans des volumes élevés, ce qui les rendrait finalement pratiques pour les réseaux de capteurs distribués.

Malgré les inconvénients actuels des batteries à couche mince, Donald Sadoway, professeur de chimie des matériaux au MIT, affirme que certaines versions alimenteront les ordinateurs portables et les véhicules électriques à l'avenir. Selon lui, leur principal avantage, outre la sécurité, est qu'ils permettent l'utilisation de lithium pur dans l'une des électrodes, ce qui n'est pas possible avec des électrolytes liquides : si vous pouvez passer au lithium, vous avez atteint l'ultime en capacité d'anode, dit-il.

Contrairement à l'électrolyte semblable au verre utilisé par Infinite Power Solutions et d'autres, Sadoway a développé un électrolyte polymère solide (les batteries lithium-ion polymère d'aujourd'hui utilisent un gel) à utiliser dans les batteries à couche mince. Cet électrolyte, dit-il, pourrait être traité en rouleaux comme du papier journal, ou tout autre procédé à haut débit. Un tel processus pour les batteries à couches minces, bien que n'étant pas actuellement développé par l'industrie, pourrait réduire les coûts, dit-il, tandis que des moyens innovants d'emballage des électrodes pourraient réduire la taille. Nous avons fabriqué en laboratoire des batteries de 300 wattheures par kilogramme, dit-il. C'est deux fois la meilleure [batterie] lithium-ion sur le marché aujourd'hui.

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