Il y a plus de téléphones portables dans le monde que de personnes. Presque tous sont alimentés par des batteries lithium-ion rechargeables, qui sont le composant le plus important permettant la révolution de l'électronique portable des dernières décennies. Aucun de ces appareils ne serait attrayant pour les utilisateurs s'ils n'avaient pas assez de puissance pour durer au moins plusieurs heures, sans être particulièrement lourd.

Les batteries lithium-ion sont également utiles dans les applications plus importantes, comme les véhicules électriques et les systèmes de stockage d'énergie intelligents. Et les innovations des chercheurs en science des matériaux, chercher à améliorer les batteries lithium-ion, ouvrent la voie à encore plus de batteries avec des performances encore meilleures. Il existe déjà une demande pour des batteries de grande capacité qui ne prendront pas feu ou n'exploseront pas. Et beaucoup de gens ont rêvé de plus petit, des batteries plus légères qui se chargent en quelques minutes, voire quelques secondes, mais stockent suffisamment d'énergie pour alimenter un appareil pendant des jours.

Des chercheurs comme moi, bien que, pensent encore plus aventureux. Les voitures et les systèmes de stockage en réseau seraient encore meilleurs s'ils pouvaient être déchargés et rechargés des dizaines de milliers de fois sur de nombreuses années, voire des décennies. Les équipes de maintenance et les clients adoreraient les batteries capables de s'auto-surveiller et d'envoyer des alertes si elles étaient endommagées ou ne fonctionnaient plus à leurs performances optimales - ou même étaient capables de se réparer elles-mêmes. Et il ne faut pas trop rêver de batteries à double usage intégrées à la structure d'un article, aider à façonner la forme d'un smartphone, voiture ou un bâtiment tout en alimentant ses fonctions.

Tout cela peut devenir possible à mesure que mes recherches et l'aide d'autres scientifiques et ingénieurs deviennent de plus en plus aptes à contrôler et à manipuler la matière à l'échelle des atomes individuels.

Matériaux émergents

Pour la plupart, les progrès dans le stockage d'énergie reposeront sur le développement continu de la science des matériaux, repousser les limites de performance des matériaux de batterie existants et développer des structures et compositions de batteries entièrement nouvelles.

L'industrie des batteries travaille déjà à réduire le coût des batteries lithium-ion, y compris en éliminant le cobalt coûteux de leurs électrodes positives, appelés cathodes. Cela réduirait également le coût humain de ces batteries, car de nombreuses mines au Congo, première source mondiale de cobalt, utiliser des enfants pour effectuer des travaux manuels difficiles.

Les chercheurs trouvent des moyens de remplacer les matériaux contenant du cobalt par des cathodes composées principalement de nickel. À terme, ils pourront peut-être remplacer le nickel par du manganèse. Chacun de ces métaux est moins cher, plus abondant et plus sûr à utiliser que son prédécesseur. Mais ils viennent avec un compromis, car ils ont des propriétés chimiques qui raccourcissent la durée de vie de leurs batteries.

Les chercheurs envisagent également de remplacer les ions lithium qui font la navette entre les deux électrodes par des ions et des électrolytes qui pourraient être moins chers et potentiellement plus sûrs, comme ceux à base de sodium, magnésium, zinc ou aluminium.

Mon groupe de recherche étudie les possibilités d'utiliser des matériaux bidimensionnels, des feuilles de substances essentiellement extrêmement minces avec des propriétés électroniques utiles. Le graphène est peut-être le plus connu d'entre eux - une feuille de carbone d'un atome d'épaisseur seulement. Nous voulons voir si l'empilement de couches de divers matériaux bidimensionnels, puis l'infiltration de la pile avec de l'eau ou d'autres liquides conducteurs pourraient être des composants clés des batteries qui se rechargent très rapidement.

Regarder à l'intérieur de la batterie

Il n'y a pas que de nouveaux matériaux qui élargissent le monde de l'innovation en matière de batteries :de nouveaux équipements et méthodes permettent également aux chercheurs de voir ce qui se passe à l'intérieur des batteries beaucoup plus facilement qu'il n'était possible auparavant.

Autrefois, les chercheurs ont fait passer une batterie à travers un processus de charge-décharge particulier ou un nombre de cycles, puis a retiré le matériau de la batterie et l'a examiné après coup. Ce n'est qu'alors que les chercheurs ont pu savoir quels changements chimiques s'étaient produits au cours du processus et en déduire comment la batterie fonctionnait réellement et ce qui affectait ses performances.

Mais maintenant, les chercheurs peuvent observer les matériaux des batteries pendant qu'ils subissent le processus de stockage d'énergie, analysant même leur structure atomique et leur composition en temps réel. Nous pouvons utiliser des techniques de spectroscopie sophistiquées, telles que les techniques aux rayons X disponibles avec un type d'accélérateur de particules appelé synchrotron - ainsi que des microscopes électroniques et des sondes à balayage - pour observer le mouvement des ions et les modifications des structures physiques à mesure que l'énergie est stockée et libérée par les matériaux d'une batterie.

Ces méthodes permettent aux chercheurs comme moi d'imaginer de nouvelles structures et matériaux de batterie, faites-les et voyez à quel point - ou non - ils fonctionnent. De cette façon, nous pourrons continuer la révolution des matériaux de batterie.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.