Plus rapides à recharger, plus endurantes, plus écologiques aussi… Les batteries des smartphones, ordinateurs mais aussi des voitures électriques font leur révolution…

L’ère numérique mobile nous a rendus très dépendants d’une technologie : les batteries Lithium-Ion. Elles animent nos montres connectées, nos coachs sportifs, nos smartphones, nos tablettes, nos liseuses, nos ordinateurs portables mais aussi nos trottinettes électriques, nos rasoirs électriques, nos équipements de jardin sans fil ou encore nos outils de bricolage sans fil.

Et malgré les innovations remarquables intégrées au cœur des processeurs et des systèmes pour économiser au mieux l’énergie, nos ordinateurs ont une autonomie qui ne dépassent pas la journée de travail, nos smartphones doivent être revitalisés tous les jours, nos montres rechargées au mieux une fois par semaine. Sans compter que les batteries qui leur donnent vie ont une fâcheuse tendance à exploser sous l’effet de la chaleur, mettent des heures et des heures à se recharger entièrement, et n’ont vraiment rien d’écologique.

Disposer de batteries plus endurantes, avec une meilleure densité énergétique, plus rapides à recharger, moins dangereuses, voire même plus écologiques, à fabriquer est devenu un enjeu crucial. Et si les technologies ont peu évolué durant cette dernière décennie, nous sommes aujourd’hui à un tournant technologique avec de multiples pistes suivies par les chercheurs et une multitude de nouveaux acteurs disruptifs.
Il est temps de faire un point sur les pistes envisagées et sur la probabilité de les voir apparaître à court terme sur le marché …

Les nouveaux visages du Lithium-Ion

La technologie Lithium-Ion n’est certes pas parfaite mais elle a fait ses preuves et nombreux sont ceux qui estiment pour l’instant plus économique et plus rapide de chercher à l’améliorer plutôt que d’intégralement la remplacer. Trois variations sont désormais explorées :

Différence entre les batteries actuelles et celles à électrolyte solide (source: Université de Genève)

* Les batteries à électrolyte solide : c’est l’une des voies perçues comme les plus prometteuses. Au lieu de placer les électrodes (anode et cathode) dans un milieu liquide, ces dernières sont placées au cœur d’un électrolyte solide. Ce dernier permettrait d’obtenir des batteries plus stables et plus sûres (moins explosives) supportant des plages de température de fonctionnement plus extrême (on évoque de -30° C à +110° C) et possédant une durée de vie plus longue. Ces batteries offriraient également des temps de charge drastiquement réduits grâce à leur résistance à la surchauffe. Différentes recherches notamment menées par Toyota tendent à montrer que de telles batteries pourraient être intégralement rechargées en 3 à 7 minutes seulement ! Toute la difficulté consiste à trouver un matériau électrolyte bon marché et hautement performant.
Ces batteries sont pour l’instant surtout envisagées pour alimenter les véhicules électriques. Les recherches et expérimentations se multiplient mais leur industrialisation tarde.

Composition du matériau à base de silicone des anodes de Sila NAnoTechnologies.

* Les batteries à anodes en silicone sont notamment étudiées par la startup Sila NanoTechnologies soutenue par Daimler et BMW. L’idée est de remplacer l’anode en graphite des batteries Li-Ion par une anode en silicone (issu de la purification du sable) pour une meilleure densité énergétique. Très proches des produits actuels, ces batteries en conservent les défauts. Mais elles offriraient entre 20 et 40% de performance en plus (à taille égale et poids égal) et pourraient être produites par une simple adaptation des actuelles usines de fabrication de batteries. 40% d’énergie en plus sur un smartphone ou un ordinateur portable, ça ne se refuse pas. Sila a débuté la fabrication de telles anodes, fruits de la recherche sur les nanoparticules et en livre aux fabricants classiques de batteries pour tests et expérimentations.

* Les cellules « Anode-Free » sont une piste actuellement suivie par Tesla et différents centres de recherche européens et chinois. L’idée consiste à utiliser des « poches » sans anode, mais avec une cathode en lithium métal baignant dans un milieu salin. Très proches dans leur conception des actuelles Lithium-Ion, ces nouvelles batteries pourraient entrer bien plus rapidement en production que d’autres alternatives notamment celles à base d’électrolyte solide. Elles offriraient une densité énergétique plus importante, pourraient rapidement se révéler plus économiques à fabriquer et offriraient une durée de vie significativement plus longue. En revanche, elles conserveraient les défauts d’explosivité et de lenteur de charge des batteries actuelles.

Les autres solutions

Plutôt que de chercher à améliorer les batteries existantes, certains ont choisi de partir sur des pistes radicalement nouvelles et différentes. Et certaines pourraient apparaître sur le marché plus tôt que les technologies évoquées plus haut.

Réprésentation 3D de la structure atomique du graphene (source : shutterstock)

* Les batteries au graphène : C’est sans aucun doute la piste la plus avancée et la plus proche d’aboutir. C’est aussi la plus prometteuse. Malheureusement, c’est un peu la caractéristique commune de toute technologie estampillée « graphène ». Mais, sur le papier, ces batteries n’ont que des avantages : elles sont plus légères et compactes, elles se rechargent beaucoup plus rapidement (5 fois à 33 fois plus vite), elles chauffent beaucoup moins, elles sont plus sûres. Mieux encore, Panasonic a démontré des modèles de batterie flexibles et des chercheurs Coréens travaillent sur des modèles transparents !
Le graphène est le fruit d’une combinaison particulière des atomes de carbones. C’est un matériau cristallin très conducteur, souple et léger. C’est aussi le matériau qui possède le record de conductivité thermique une qualité qui pourrait être mise à profit pour obtenir une meilleure dissipation de chaleur et donc des smartphones qui ne chauffent plus quand on les charge ou quand on les sollicite pour des jeux (certaines études montrent que l’on pourrait ainsi réduire de 5°C la température de fonctionnement des batteries). Les batteries seraient aussi plus solides et donc plus sûres. Mais la fabrication du graphène soulève toujours de nombreux problèmes, les chercheurs s’attelant à sa fabrication industrielle depuis 2004 repoussant année après année les prévisions de disponibilité. En outre, son impact environnemental engendre déjà de nombreux débats.
L’utilisation du graphène comme électrolyte offre de nombreuses pistes d’exploration pour les chercheurs : graphène-MO, nanotubes Graphene-Carbone, etc. Surtout, il peut être appliqué sur des batteries hybrides mixant graphène et technologies Lithium-Ion pour accélérer sa mise sur le marché. Une piste notamment suivie par Samsung : plusieurs rumeurs sont apparues ces dernières semaines selon lesquelles le géant coréen serait entré en phase industrielle et préparerait un smartphone « à batteries en graphène » pour la fin 2020 ou début 2021.

* Les batteries en aluminium : réputées plus écologiques et plus économiques à produire, les batteries en aluminium sont l’une des pistes encouragées par le plan « Battery of the Future » de la Commission Européenne qui veut faire de l’Europe le leader des batteries durables. L’École Nationale Supérieure de Chimie de Clermont-Ferrand a réalisé plusieurs travaux de recherche dans ce domaine. L’aluminium est l’un des matériaux les plus abondants sur Terre et construire de telles batteries permettrait d’obtenir des sources d’énergie non toxiques, très sûres et aisément recyclables. Mais les recherches sont encore très loin de pouvoir passer au stade industriel.

* Souffre, Molybdenum, Titanium-nitride, Polypyrene… Au-delà des pistes jusqu’ici évoquées, ne nombreuses universités et chercheurs planchent sur des matériaux nouveaux pour repenser aussi bien les électrolytes que les électrodes. Dans certains cas, l’objectif est d’arriver à des batteries Lithium plus efficaces et plus écologiques. Dans d’autres cas, l’idée est de totalement réinventer la batterie pour obtenir des produits plus disruptifs à même de changer la donne en profondeur. Des recherches qui sont encore loin d’aboutir à des produits commercialisables mais qui démontrent la forte dynamique de transformation qui anime ce secteur.

Réinventer la batterie est ainsi devenu l’un des axes d’innovation les plus importants des années à venir car son impact sur les usages est déterminant. Les performances limitées des modèles d’aujourd’hui restreignent en effet les scénarios mobiles que ce soit en électronique, en automobile, en sciences aéronautiques et spatiales, en capacité de stocker l’énergie solaire ou éolienne. Mais au-delà de la batterie, d’autres chercheurs planchent également sur des solutions radicalement différentes pour alimenter nos appareils : écran solaire, électricité sans fil, etc. Des technologies sur lesquelles nous reviendrons dans un prochain article.