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Les nouvelles batteries en mousse promettent une charge rapide et une capacité supérieure
Malgré des milliards de dollars d'investissements et le lancement de plusieurs startups de premier plan, le secteur de l'énergie est toujours confronté à un défi fondamental et apparemment insoluble : il est très difficile de stocker beaucoup d'énergie de manière compacte, durable et peu coûteuse. . Un nombre croissant de chercheurs espèrent résoudre ce problème avec ce que l'on appelle des batteries tridimensionnelles, qui peuvent prendre plusieurs formes mais ont tendance à avoir des structures poreuses en forme d'éponge, par opposition à la forme 2D traditionnelle : de fines couches de métal dans une solution d'électrolyte liquide à l'intérieur d'une boîte (voir Une pile et des piles de montre intelligente extensibles, pliables et plus puissantes : la forme d'alimentation électrique la moins chère ? ).
Au cours des derniers mois, une startup appelée Batterie de Prieto , issue de la Colorado State University à Fort Collins, a réussi à produire ce que la fondatrice Amy Prieto appelle la première vraie batterie 3D qui peut être chargée et déchargée, et qui tiendra une charge - en d'autres termes, qui remplit les conditions de base d'une batterie conventionnelle. Les batteries 3D pourraient être moins chères à fabriquer, plus rapides à charger, plus sûres, plus petites et moins toxiques pour l'environnement que les batteries conventionnelles. De plus, parce qu'ils peuvent être rendus légers, flexibles et dans une variété presque illimitée de formes, ils pourraient offrir des applications de stockage d'énergie auparavant inimaginables.
La batterie à semi-conducteurs 3-D de Prieto représente deux changements radicaux par rapport aux batteries d'aujourd'hui : de quoi elles sont faites et comment elles sont faites. Dans le laboratoire de Prieto, juste en dessous des contreforts des montagnes Rocheuses, une série de huit bacs remplis d'eau peu profonds reposent sur une table encastrée. À côté de la ligne se trouve un rack avec des rouleaux de mousse de cuivre de différentes densités. La mousse est la matière première des batteries, sur laquelle l'anode - en antimoniure de cuivre (cuivre mélangé à de l'antimoine) - est plaquée par électrolyse. La mousse est si poreuse qu'elle est principalement constituée d'air, mais un petit fragment peut contenir une surface énorme. L'augmentation de la surface réduit la distance que les ions doivent parcourir, augmentant ainsi à la fois la puissance et la densité d'énergie.
Une fois que la mousse est recouverte de l'anode, elle est recouverte d'un électrolyte polymère qui fournit une barrière physique à travers laquelle les ions (mais pas les électrons) peuvent se déplacer. Enfin, la cathode est appliquée sous la forme d'une bouillie sombre et d'encre. Le produit final est une batterie en mousse de quelques pouces de diamètre et de l'épaisseur d'une feuille de papier. Scellées dans une pochette en plastique, les batteries Prieto peuvent se recharger rapidement, stocker jusqu'à deux fois plus d'énergie par unité de volume que les batteries conventionnelles, et n'ont pas la fâcheuse propension des batteries lithium-ion à surchauffer.
L'idée d'utiliser des matériaux poreux pour les composants de batterie n'est pas nouvelle : de nombreuses batteries plomb-acide conventionnelles, par exemple, utilisent de la mousse de plomb dans l'anode. L'idée d'une batterie entière fabriquée avec une architecture interne poreuse est née des travaux de Debra Rolison, chimiste de recherche au Naval Research Laboratory qui dirige la section des matériaux électrochimiques avancés du laboratoire. Rolison a commencé à rechercher de nouveaux matériaux catalyseurs pour les piles à combustible au début des années 1990 et, en 1998, elle a proposé une batterie composée d'aérogels de carbone, des matériaux poreux dans lesquels un matériau de cathode peut être inséré pour créer une batterie 3D. Quand elle a présenté l'idée pour la première fois, dit-elle, 99% des gens pensaient que j'étais foutu de mon cerveau. Mais un certain nombre de chercheurs poursuivent maintenant le concept, certains avec de nouveaux matériaux tels que champignons portabelles et cellulose de pulpe de bois .
Selon Max Hamedi, un chercheur de Harvard qui travaille sur des batteries en mousse élastique fabriquées à partir de pâte de bois, la technologie de batterie 3D comme celle de Prieto a le potentiel de surpasser n'importe quelle batterie que vous pouvez construire dans des systèmes 2D. Ce travail explose en ce moment.
Prieto a dès le départ recherché la simplicité, en utilisant des matériaux courants dans un processus de fabrication à faible coût qui peut facilement être mis à l'échelle. Le premier produit de la société n'est pas une batterie complète, mais une anode en mousse de cuivre de remplacement qui remplacera les anodes en graphite dans les batteries conventionnelles. En septembre, Prieto a annoncé un partenariat avec Intel qui permet à la startup de s'appuyer sur l'expertise du Technology Manufacturing Group du fabricant de puces. Les premières anodes de remplacement de Prieto pourraient être sur le marché fin 2016, selon son fondateur, et une batterie complète pourrait suivre d'ici 2018.
Il existe, bien sûr, d'autres entreprises qui innovent dans les batteries à semi-conducteurs. Sakti3 travaille sur des batteries lithium-ion à semi-conducteurs dont la taille est entre la moitié et le tiers de la taille des systèmes conventionnels, avec la même capacité de stockage d'énergie (voir Une batterie révolutionnaire obtient un gros soutien). Seeo, une startup californienne spécialisée dans les batteries à semi-conducteurs avec anodes lithium-métal, a récemment été rachetée par Bosch, l'un des principaux fournisseurs de l'industrie automobile (voir Un prototype de batterie pourrait doubler l'autonomie des voitures électriques). Aucune de ces sociétés n'utilise une architecture en mousse 3D.
Nous voyons le potentiel de la technologie de Prieto pour contribuer aux innovations dans les appareils portables, où les batteries à semi-conducteurs à haute densité d'énergie pourraient permettre de nouvelles utilisations convaincantes, déclare Mark Pontarelli, directeur général de l'incubateur d'entreprises interne d'Intel. La mousse de cuivre pourrait être utilisée pour créer des batteries qui remplissent précisément les espaces vides d'une conception, offrant une plus grande autonomie sans augmenter la taille du produit.
Comme l'indique Pontarelli, les premières applications seront probablement de petite taille - dans les systèmes portables et l'électronique grand public, par exemple - mais il n'y a aucune raison évidente pour laquelle les batteries en mousse ne pourraient pas fonctionner dans les véhicules électriques et, un jour, les systèmes de stockage à l'échelle du réseau.