Un bond en avant dans la conception des batteries

Un concept de batterie quantique numérique proposé par un physicien de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign pourrait augmenter considérablement la capacité de stockage d'énergie, s'il atteint son potentiel théorique une fois construit.

Le concept fait appel à des milliards de condensateurs à l'échelle nanométrique et s'appuierait sur des effets quantiques – les phénomènes étranges qui se produisent à des échelles de taille atomique – pour augmenter le stockage d'énergie. Les condensateurs conventionnels sont constitués d'une paire de plaques conductrices macroscopiques, ou électrodes, séparées par un matériau isolant. L'application d'une tension crée un champ électrique dans le matériau isolant, emmagasinant de l'énergie. Mais tous ces appareils ne peuvent contenir qu'une quantité de charge, au-delà de laquelle un arc se produit entre les électrodes, gaspillant l'énergie stockée.

Si les condensateurs étaient plutôt construits sous forme de réseaux à l'échelle nanométrique, avec des électrodes espacées d'environ 10 nanomètres (ou 100 atomes), les effets quantiques devraient supprimer un tel arc. Pendant des années, les chercheurs ont reconnu que les condensateurs nanométriques présentaient des champs électriques inhabituellement importants, suggérant que la petite échelle des dispositifs était responsable de la prévention des pertes d'énergie. Mais les gens ne se sont pas rendu compte qu'un grand champ électrique signifie une grande densité d'énergie et pourrait être utilisé pour un stockage d'énergie qui surpasserait de loin tout ce que nous avons aujourd'hui, explique Alfred Hubler, physicien de l'Illinois et auteur principal d'un papier décrivant le concept, à paraître dans la revue Complexité .

Hubler affirme que la densité de puissance résultante (la vitesse à laquelle l'énergie peut être stockée ou libérée) pourrait être supérieure de plusieurs ordres de grandeur, et la densité d'énergie (la quantité d'énergie qui peut être stockée) deux à 10 fois plus grande que possible avec le meilleur lithium d'aujourd'hui. -ion ​​et autres technologies de batterie.

De plus, les batteries quantiques numériques pourraient être fabriquées à l'aide des technologies de fabrication de puces lithographiques existantes en utilisant des matériaux bon marché et non toxiques, tels que le fer et le tungstène, sur un substrat de silicium, dit-il. Les dispositifs résultants gaspilleraient, en principe, peu ou pas d'énergie en absorbant et en libérant des électrons. Hubler dit qu'il pourrait être possible de construire un prototype de paillasse en un an.

Aujourd'hui, cependant, les batteries quantiques numériques ne sont qu'un concept de recherche en instance de brevet. Hubler a demandé un financement à la Defense Advanced Research Projects Agency pour développer un tel prototype, mais le concept présente des défis importants. Il n'est pas clair que les matériaux nanofabriqués ne se décomposeraient pas une fois chargés d'énergie, dit Joël Schindall , professeur de génie électrique au MIT.

Mais Schindall dit aussi que le concept a du mérite. Je suis prudemment intrigué, car il a des arguments légitimes pour le fait qu'à ces dimensions quantiques, l'effet de stockage d'énergie devrait au moins augmenter considérablement, dit Schindall. Le premier défi est le suivant : ses hypothèses sont-elles correctes ou y a-t-il d'autres phénomènes qui n'ont pas été examinés et qui gênent ?

À certains égards, le concept représente une variation sur les dispositifs micro- et nanoélectroniques existants. Si vous le regardez du point de vue de l'électronique numérique, ce n'est qu'une clé USB, dit Hubler. Si vous le regardez du point de vue de l'ingénierie électrique, vous diriez qu'il s'agit de tubes à vide miniaturisés comme dans les téléviseurs à écran plasma. Si vous parlez à un physicien, il s'agit d'un réseau de condensateurs.

La partie numérique du concept découle du fait que chaque tube nanovide serait adressable individuellement. Pour cette raison, les appareils pourraient également être utilisés pour stocker des données.

D'autres méthodes existent pour augmenter les performances des condensateurs. Des versions avancées, appelées ultracondensateurs, peuvent stocker une énergie importante et fonctionner plus rapidement en augmentant la surface de leurs électrodes et en utilisant un électrolyte. Le groupe de Schindall a augmenté les taux de charge et de décharge et la capacité de stockage des ultracondensateurs traditionnels en utilisant des nanotubes de carbone au lieu de charbon actif sur la surface de l'électrode. Essentiellement, cela augmente la surface de l'électrode.

Les avantages de la conception de Schindall - une puissance de sortie et une densité d'énergie accrues - pourraient être cruciaux pour des applications telles que l'absorption rapide d'énormes impulsions d'énergie provenant d'un champ d'éoliennes ou de panneaux solaires, par exemple. De plus, son équipe a en fait construit un appareil de paillasse. L'inconvénient est que la densité énergétique d'une masse donnée de matériau serait encore un peu inférieure à celle des batteries lithium-ion.

Alors que Hubler n'a encore rien construit, il note qu'en 2005, un groupe de chercheurs coréens a montré que des condensateurs nanométriques pouvaient être fabriqués. Cependant, l'appareil de Hubler aurait encore besoin de milliards, voire de milliards de milliards de tels appareils.

Je suis tout à fait d'accord que nous avons désespérément besoin de nouvelles façons de stocker l'énergie électrique, dit Schindall. Bien que cela puisse être en concurrence avec ce que je fais, je lui souhaite le plus grand succès et j'espère que cela fonctionnera.

cacher