Une pile à combustible dans votre téléphone

Dans un parc industriel de Los Alamos, NM, non loin du laboratoire où est né la bombe atomique, Robert Hockaday est assis dans le laboratoire encombré de sa startup Manhattan Scientifics, tenant un patch en plastique transparent de la taille d'une carte de visite. Une inspection plus approfondie montre un motif semblable à une carte de circuit imprimé de platine noir et de ruthénium imprimé de chaque côté. L'engin est constitué des entrailles d'une centrale électrique de cinq centimètres sur 13 centimètres qui produit sa propre électricité en utilisant du méthanol comme carburant. Cela peut ne pas sembler grand-chose à première vue, mais c'est un membre d'une nouvelle classe de petits blocs d'alimentation qui est prêt à exploser sur le marché et qui pourrait bien anéantir l'une des technologies les plus omniprésentes au monde, la batterie.

Ces centrales électriques miniatures, appelées micropiles à combustible, promettent une énorme augmentation de puissance pour les appareils électroniques portables, allant des téléphones portables aux ordinateurs portables en passant par les futures générations d'appareils portables Web gourmands en énergie. Les meilleures batteries de téléphones portables au lithium-ion d'aujourd'hui n'offrent en moyenne que quatre heures d'autonomie en conversation ; les micropiles à combustible pourraient fournir jusqu'à 20 heures de temps de conversation. Et après cela, au lieu de brancher le téléphone portable pendant la nuit ou d'échanger les piles, vous insérez simplement une nouvelle cartouche de méthanol.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 2001

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Bien entendu, les piles à combustible font déjà irruption sur le marché sous d'autres formes et dans des tailles bien plus grandes. Les bus alimentés par des piles à combustible font leurs premières apparitions, et les voitures sont les prochaines ( voir Faites le plein d'hydrogène , TR novembre/décembre 2000 ). Les piles à combustible qui fournissent une alimentation de secours pour les maisons et les bureaux deviennent également disponibles ( voir Pouvoir au peuple , TR mai 2001 ). Electrolux a même prototypé un aspirateur sans fil à pile à combustible. Entre autres avantages, les piles à combustible utilisent des sources d'énergie facilement disponibles, à savoir l'hydrogène ou le méthanol, et ne produisent que de l'eau, du dioxyde de carbone et de la chaleur en tant que déchets.

Aujourd'hui, l'industrie se prépare à fabriquer des piles à combustible suffisamment petites pour l'électronique grand public. Construire des piles à combustible pratiques, ces petits appareils qui produisent un dixième de watt à 50 watts, présente d'énormes défis en matière d'ingénierie et de matériaux, mais l'opportunité de marché est énorme. Les piles à combustible portables ont le potentiel réel d'être rentables dans un laps de temps plus court que les applications de piles à combustible fixes ou automobiles, déclare Atakan Ozbek, vice-président de la recherche énergétique chez Allied Business Intelligence, une société de recherche technologique à Oyster Bay, NY. Dans cinq ans, ce marché pourrait potentiellement atteindre un milliard de dollars par an. Cette industrie va démarrer.

Sans surprise, une course à la commercialisation de la technologie bat son plein et concerne tout le monde, de Motorola au géant coréen de l'électronique Samsung, en passant par des startups comme Hockaday. Les concurrents parient sur des conceptions différentes - et même des chimies légèrement différentes - mais ils partagent un objectif commun : prendre une part du marché mondial de 6 milliards de dollars des batteries rechargeables.

La première application réussie sera probablement celle des piles à combustible au méthanol qui produisent environ un dixième de watt et peuvent recharger les batteries conventionnelles, libérant ainsi les consommateurs du briquet du tableau de bord ou de la prise murale. Viennent ensuite les piles à combustible suffisamment petites pour tenir dans les compartiments de batterie des téléphones existants et pourtant suffisamment puissantes - un watt pour les téléphones portables, 50 watts pour les ordinateurs portables - pour être utilisées pour l'alimentation directe.

Encore plus loin à l'horizon, les micropuces seront directement alimentées par des piles à combustible intégrées. Ces piles à combustible offriront une aubaine à la miniaturisation en éliminant le besoin de sources d'alimentation séparées. Ils seront conçus sur mesure pour répondre à des besoins précis en énergie. Et les coûts de production devraient baisser lorsque la puce et la source d'alimentation sont fabriquées en une seule unité. Les puces auto-alimentées, à leur tour, pourraient permettre à une future génération de gadgets autonomes, comme de minuscules capteurs en réseau qui peuvent fonctionner dans des zones reculées, détecter des polluants, des toxines de guerre biologique ou tout autre élément nécessitant une détection, et envoyer les données pendant des mois.

Devenir petit

Le problème avec les batteries conventionnelles est qu'elles reposent sur une électrochimie qui date de la fin du XVIIIe siècle et qu'elles ont de sérieuses limitations. Plus particulièrement, une fois que l'alimentation en produits chimiques à l'intérieur de la batterie a fini de réagir, la batterie s'éteint. Vous devez soit le connecter à un chargeur branché sur la prise murale, soit le jeter, de préférence dans la corbeille à cause des ingrédients toxiques comme le cadmium et le mercure. Et les batteries ne s'amélioreront probablement pas beaucoup ; pratiquement toutes les combinaisons chimiques ont été essayées, déclare Shimshon Gottesfeld, directeur de la technologie chez Mechanical Technology à Albany, NY, une société qui développe des micropiles à combustible. Même les meilleures batteries ont peu de chance d'aller beaucoup plus haut dans la puissance qu'elles peuvent produire en poids, dit-il.

Les piles à combustible sont plus complexes, mais elles présentent des avantages fondamentaux. Tant qu'il y aura un approvisionnement en hydrogène ou en méthanol, la pile à combustible produira de l'électricité. De plus, grâce aux carburants à haute énergie qu'elles utilisent, les piles à combustible produisent plus d'énergie pour leur poids que les batteries ne le feront jamais.

Mais les piles à combustible sont difficiles à concevoir, et les plus petites sont les plus résistantes de toutes. Les défis de conception des micropiles à combustible commencent par le choix du combustible. L'hydrogène n'est pas pratique; c'est un gaz qui doit être comprimé à des pressions très élevées, et même alors, cela nécessite des réservoirs trop grands pour l'électronique portable. Les mélanges méthanol/eau sont plus facilement stockés dans une petite pile à combustible, mais leur utilisation crée de nouveaux obstacles techniques. Pour gérer un carburant liquide, de minuscules pompes et tuyaux sont nécessaires. Ensuite, il y a les eaux usées. Même les utilisateurs de téléphones portables les plus ardents ne toléreraient pas les alimentations électriques qui gouttent sur leurs épaules, les piles à combustible doivent donc évaporer l'eau. Toutes les piles à combustible créent de la chaleur ; les petites versions fonctionnent à n'importe quelle température de 15 degrés C à 60 degrés C. Bien que cela fournisse un moyen d'évaporer les eaux usées, cela nécessite également le bon équilibre entre isolation et ventilation.

Rassembler tout cela dans un emballage astucieux de la taille de quelques piles AA représente un véritable défi. Et étant donné la concurrence féroce pour commercialiser une micropile à combustible, la plupart des entreprises sont méfiantes quant à la façon dont elles ont commencé à résoudre ces problèmes. Il y a beaucoup de postures parmi les entreprises, mais c'est ce à quoi vous vous attendez au début alors qu'elles essaient de maintenir leurs positions, explique Chris Dyer, observateur des piles à combustible, rédacteur en chef du Journal of Power Sources. Mais, ajoute-t-il, ce n'est pas de la fumée et des miroirs. C'est une véritable technologie et elle nécessite juste une ingénierie intelligente pour la faire fonctionner.

La plupart des observateurs prédisent que la première micropile à combustible sur les étagères des magasins sera un dispositif de charge utilisant du méthanol. Une demi-douzaine d'entreprises travaillent sur des déclinaisons sur ce thème, dont Manhattan Scientifics. Dans la conception de Hockaday, les composants des piles à combustible ne sont pas disposés en pile, comme les piles à combustible automobiles traditionnelles. Au contraire, ils sont disposés côte à côte, comme des composants sur un microprocesseur, ce qui les rend aptes aux techniques de fabrication de semi-conducteurs.

Mechanical Technology a déjà cofondé une entreprise qui vend des centrales électriques à piles à combustible commerciales et résidentielles de la taille d'un réfrigérateur. Maintenant, Mechanical Technology se concentre sur des choses plus petites, à commencer par les appareils de charge. Nous sommes très optimistes quant aux perspectives de commercialisation de ce produit, déclare Gottesfeld de Mechanical Technology, ancien directeur du programme de recherche sur les piles à combustible du laboratoire de Los Alamos. Nous ne cherchons pas seulement des chargeurs, mais un système complet pour les téléphones portables. Nous examinons également d'autres possibilités comme les ordinateurs portables, le marché des jouets et les outils électriques.

Motorola et le coréen Samsung développent également activement des prototypes. Hyuk Chang, chercheur principal au Samsung Advanced Institute of Technology à l'extérieur de Séoul, a déclaré que l'objectif de l'entreprise est de démontrer des modèles fonctionnels en un an, encore une fois avec des appareils de charge en tête. Je pense qu'il faudra encore deux ans pour passer du laboratoire aux mains des clients, dit Chang. La question difficile est de savoir quelle sera la première application.

Chez Motorola, le chef de projet des piles à combustible, Jerry Hallmark, poursuit une stratégie qui promet des cartouches à combustible plus petites. Il dit que la société a développé de minuscules systèmes de fluides qui recycleraient continuellement l'eau dans le mélange de carburant méthanol-eau. Les cartouches de remplacement pourraient simplement contenir du méthanol non dilué. La pile à combustible ne peut pas fonctionner avec du méthanol concentré ; il a besoin d'une solution diluée. Mais vous ne voulez pas transporter de carburant dilué, dit-il. Hallmark ajoute qu'il faudra probablement trois à cinq ans pour qu'une entreprise, y compris Motorola, commence à vendre un produit.

Emballer un coup de poing

Ce que Motorola et les autres sociétés veulent avant tout, ce sont des piles à combustible de type batterie qui s'enclenchent directement sur les téléphones et autres appareils électroniques, pour les alimenter directement. Le téléphone portable est l'un des plus difficiles, car les gens aimeraient remplacer leur batterie par une pile à combustible de la même taille. J'aimerais pouvoir le leur donner, mais nous sommes loin d'avoir quelque chose comme ça, dit Hallmark.

Pour réaliser cette vision, les entreprises poursuivent des stratégies variées. Medis Technologies, basée à New York, pense pouvoir fabriquer une pile à combustible qui pourrait remplacer la batterie du téléphone portable, offrant 20 heures d'autonomie en conversation et des centaines d'heures en veille avec une seule cartouche de combustible. Robert K. Lifton, PDG de Medis, a déclaré que la société utilise un électrolyte liquide exclusif qui peut fonctionner avec des concentrations plus élevées de carburant et fournir en conséquence plus de puissance que les alternatives conventionnelles. Mais Medis ne dit pas exactement comment cela fonctionne. Nous avons environ 17 brevets déposés et nous attendons de les obtenir avant de discuter des détails, dit Lifton. La stratégie commerciale, cependant, ne pourrait pas être plus simple : c'est l'approche de la lame de rasoir. Le gain pour nous serait les recharges, à environ 1 $ par recharge, explique Lifton. Il dit que Medis aura un prototype d'ici la fin de cette année.

Une autre stratégie consiste à transporter du méthanol comme carburant, puis à le convertir si nécessaire en hydrogène. Étant donné que l'hydrogène contient plus d'énergie en poids que le méthanol, le système pourrait produire des piles à combustible plus puissantes et plus efficaces. Robert Savinell, professeur de génie chimique à la Case Western Reserve University, essaie de construire une si petite pile à combustible ; jusqu'à présent, son groupe a construit un prototype de 25 centimètres carrés.

La conversion chimique du méthanol en hydrogène, souvent appelée reformage par les ingénieurs, est assez simple sur le plan technologique, sauf lorsque vous essayez de le faire sur un appareil de la taille d'une vignette. Les gens ont construit des réformateurs à grande échelle pour des applications en kilowatts, donc la question n'est pas de savoir si cela fonctionne. La question est de savoir si vous pouvez le rendre suffisamment petit pour tenir dans un téléphone portable ou un ordinateur portable, dit Motorola's Hallmark.

Puissance de la puce

Au-delà du jour où l'électronique est livrée avec des piles à combustible intégrées au lieu de batteries, une autre frontière technologique se profile : la construction de piles à combustible directement sur des puces. Déjà, le groupe de Savinell à Case Western a construit un prototype de seulement 1,5 centimètre sur deux centimètres. Son groupe a utilisé des techniques de microfabrication pour imprimer cinq à six couches de composants de pile à combustible - la membrane, l'électrode et le catalyseur - sur des plaquettes de céramique et de silicium, et plus récemment sur un matériau polymère flexible. À cette échelle, il utilise de l'hydrogène comme carburant, stocké sous forme de borohydrure de sodium et libéré avec un catalyseur au platine. L'espoir est de fournir de l'énergie sur une puce avec un capteur et un émetteur, un appareil totalement autonome, dit Savinell.

Des chercheurs du Georgia Institute of Technology, du MIT, de l'Université de Stanford et des laboratoires nationaux Sandia à Livermore, en Californie, travaillent également à la construction de piles à combustible à l'échelle des puces. Pour faire fonctionner ces appareils avec du méthanol facilement stocké, Paul A. Kohl, professeur de génie chimique à Georgia Tech, fabrique de minuscules canaux sur du silicium à travers lesquels le méthanol et l'eau peuvent passer. Ces canaux pourraient être créés sur une chaîne d'assemblage de puces de silicium classique. Vous pouvez concevoir la pile à combustible pour fournir exactement la puissance que vous souhaitez et avoir la taille que vous souhaitez, explique Kohl.

Au-delà de la réduction des piles à combustible à l'échelle de la puce, un autre objectif à long terme est de permettre aux piles à combustible d'exploiter directement la puissance de l'hydrogène tout en évitant les réservoirs à haute pression. Une approche ambitieuse consisterait à utiliser des nanotubes de carbone : des molécules de carbone semblables à des tuyaux qui ont la capacité de stocker et de libérer de l'hydrogène. Les chercheurs envisagent des nano-bidons pleins d'hydrogène qui pourraient maintenir le bourdonnement des piles à combustible, mais cela nécessitera des percées dans les matériaux et les méthodes de fabrication, a déclaré Michael Heben, chef d'un groupe de matériaux nanostructurés au Laboratoire national des énergies renouvelables du département américain de l'Énergie à Golden, CO Il se pourrait que quelqu'un mette le doigt dessus la semaine prochaine, ou cela pourrait prendre 20 ans, dit-il.

Les résultats les plus crédibles et reproductibles à ce jour, selon David Tomanek, professeur de physique à la Michigan State University, ont été obtenus par Mildred Dresselhaus, physicienne au MIT, et ses collègues de l'Académie chinoise des sciences qui ont rapporté avoir trouvé un moyen de stocker les nanotubes de carbone. 4,2 pour cent de leur poids en hydrogène. Cela peut suffire pour les micropiles à combustible, dit Tomanek. Il sera plus léger, plus petit et plus sûr qu'un char, même à quatre pour cent, et cela pourrait être fait dans quelques années. Mais je suis optimiste, dit-il. Dresselhaus elle-même est plus prudente : pour le moment, nous n'avons pas de baguette magique. Nous avons une ouverture qui dit : Ceci est quelque chose à rechercher. » La prochaine étape est toujours manquante. Cette prochaine étape pourrait avoir lieu au cours de cette décennie, ajoute-t-elle, mais nous devons faire une percée majeure.

D'autres géants de l'électronique expérimentent également des molécules de carbone pour améliorer les micropiles à combustible. NEC a signalé l'utilisation de molécules en forme de corne connues sous le nom de nanocornes de carbone comme substrat pour les catalyseurs au platine, offrant plus de surface pour des réactions chimiques plus fortes et plus de puissance. Et Sony dit qu'il utilise des molécules de carbone en forme de ballon de football connues sous le nom de fullerènes - les composants de base des nanotubes de carbone - pour construire de meilleurs électrolytes.

Pendant ce temps, les premières micropiles à combustible arrivent rapidement sur le marché. Bien sûr, les prototypes ont besoin d'un réglage fin continu pour s'assurer que le carburant ne peut pas fuir et pour augmenter leur efficacité. Mais ces obstacles sont relativement mineurs, selon les observateurs de l'industrie. Après tout, les batteries ont aussi eu leur part de problèmes de développement. Les premières batteries au lithium à haute énergie avaient tendance à prendre feu et même à exploser. Comme tout propriétaire de téléphone portable le sait, ces problèmes ont été résolus.

Il existe de nombreuses raisons - environ 6 milliards de dollars, en fait - pour suggérer que la même chose se produira avec les micropiles à combustible, mettant ces remarquables petits blocs d'alimentation dans les poches de millions de consommateurs. En effet, à mesure que les micropiles à combustible émergent de laboratoires encombrés comme l'avant-poste de Los Alamos de Manhattan Scientific, elles peuvent mettre des batteries, avec leur puissance limitée et leurs problèmes d'élimination des déchets de métaux lourds, dans la corbeille de la technologie.

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