Les chercheurs de Cambridge s'efforcent de résoudre l'une des plus grandes énigmes technologiques :comment construire des batteries de nouvelle génération qui pourraient alimenter une révolution verte.

Comme beaucoup d'entre nous, quand je me réveille, je prends le téléphone sur ma table de chevet et commence à faire défiler Twitter, Instagram, applications de messagerie et d'actualités. J'écoute de la musique en streaming pendant que je me prépare pour le travail et des podcasts pendant mon trajet. Au moment où j'arrive au bureau, mon téléphone a déjà besoin d'un coup de pouce. Il n'est même pas 9h du matin.

C'est un miracle moderne que nous ayons dans nos poches des ordinateurs plus puissants que ceux qui ont supporté les alunissages. Mais, malgré le fait que les transistors à l'intérieur de nos téléphones et ordinateurs portables deviennent de plus en plus petits et rapides chaque année, les batteries qui les alimentent ne l'ont pas.

La clé pour rendre l'électronique portable - et alimenter un changement radical dans la façon dont nous communiquons et consommons l'information - a été la commercialisation des batteries lithium-ion par Sony en 1991. Les batteries lithium-ion sont rechargeables, ainsi, lorsque l'appareil est connecté à un chargeur, il restaure la batterie pour une autre utilisation.

Si les batteries lithium-ion présentent des avantages indéniables, telles que des densités d'énergie relativement élevées et des durées de vie longues en comparaison avec d'autres batteries et moyens de stockage d'énergie, ils peuvent également surchauffer voire exploser et sont relativement coûteux à produire. En outre, leur densité énergétique est loin d'être celle du pétrole. Cela les rend impropres à une utilisation généralisée dans deux grandes technologies propres :les voitures électriques et le stockage à l'échelle du réseau pour l'énergie solaire. Une meilleure batterie pourrait faire toute la différence. Alors qu'est-ce qui freine le progrès ?

Le professeur Clare Gray est l'un des principaux chercheurs britanniques sur les batteries et dirige un grand groupe de recherche au département de chimie de Cambridge. En utilisant des méthodes telles que la spectroscopie RMN, son groupe étudie les matériaux qui pourraient être utilisés dans les batteries de nouvelle génération, piles à combustible et supercondensateurs.

Une meilleure batterie est une batterie qui peut stocker beaucoup plus d'énergie ou qui peut se charger beaucoup plus rapidement - idéalement les deux. Le groupe Grey's développe une gamme de différentes batteries de nouvelle génération, y compris les batteries lithium-air (qui utilisent l'oxydation du lithium et la réduction de l'oxygène pour induire un courant), piles au sodium, les batteries au magnésium et les batteries à flux redox.

Une batterie lithium-air fonctionnelle, par exemple, aurait une densité énergétique théorique dix fois supérieure à celle d'une batterie lithium-ion, lui donnant des applications potentielles dans l'électronique portable, le transport et le stockage en réseau. Cependant, bien que cette densité énergétique élevée soit comparable à celle du pétrole, la densité d'énergie pratique réalisable est sensiblement plus faible et des défis de recherche importants restent à relever.

Alors que Gray travaille avec des partenaires industriels pour améliorer les batteries des voitures électriques aujourd'hui, elle dit que le rôle des universités est de penser à des types de batteries entièrement nouveaux, comme celles qu'elle développe dans son laboratoire.

« Les universités doivent apporter des réponses d'ici dix à quinze ans, nous sommes les mieux placés pour innover, penser de manière créative et générer des radicaux, de nouvelles solutions, " dit-elle. " Nous voulons nous assurer que notre travail a un impact bien au-delà des batteries d'aujourd'hui. "

En plus de développer des types de batteries entièrement nouveaux, un volet majeur de la recherche de Grey est la détection des défauts. Dans le cadre de sa chaire financée par la Royal Society, Gray essaie de trouver des moyens de localiser les défauts des batteries avant qu'ils ne surviennent.

« Pouvons-nous détecter les indicateurs de défauts dans les batteries avant qu'ils ne se détériorent ? Si nous pouvons les trouver, alors nous pourrions potentiellement empêcher les batteries d'exploser. En outre, nous voulons explorer si une batterie de voiture qui a atteint la fin de sa vie pourrait avoir une seconde vie sur le réseau, par exemple. Si nous pouvions travailler, en temps réel, ce qui provoque la dégradation de la batterie, nous pourrions changer la façon dont nous utilisons la batterie, s'assurer qu'il dure plus longtemps, " dit-elle. " Plus on en sait sur l'état de santé d'une batterie, plus la batterie devient précieuse. Les deux stratégies – augmenter la durée de vie de la batterie et trouver une deuxième utilisation – conduisent à des batteries moins chères. »

Gray est également fortement impliqué dans l'Institution Faraday, l'institut national indépendant de recherche sur les batteries du Royaume-Uni, financé par le gouvernement dans le cadre de sa stratégie industrielle. Elle dirige l'un des quatre projets « démarrage rapide », avec neuf autres universités et dix partenaires industriels, pour examiner comment les contraintes environnementales et internes de la batterie (telles que les températures élevées, taux de charge et de décharge) endommagent les batteries des voitures électriques au fil du temps.

"Quand vous pensez à d'autres appareils électroniques, vous ne pensez généralement qu'à un seul matériau, qui est du silicium, " dit le Dr Siân Dutton au laboratoire Cavendish de Cambridge dans le département de physique, et qui travaille également sur le projet de l'Institution Faraday. "Mais les batteries sont beaucoup plus complexes parce que vous avez plusieurs matériaux avec lesquels travailler, plus tous les emballages, et vous devez réfléchir à la façon dont tous ces composants interagissent les uns avec les autres et avec l'appareil dans lequel vous installez la batterie.

Entre autres projets, Le groupe de recherche de Dutton étudie la possibilité d'un électrolyte de batterie solide au lieu de liquide. L'un des principaux problèmes de sécurité avec les batteries lithium-ion est la formation de dendrites - des fibres métalliques filiformes qui provoquent un court-circuit de la batterie, la batterie pourrait prendre feu ou même exploser.

"Si l'électrolyte est solide, cependant, vous pouvez toujours avoir des dendrites, mais les batteries sont beaucoup moins susceptibles d'exploser, " dit-elle. " Il est important que les universités examinent les matériaux de batterie non conventionnels comme ceux que nous étudions. Si tout le monde va dans le même sens, nous n'obtiendrons pas le vrai changement dont nous avons besoin."

La perspective d'une voiture électrique avec une autonomie de 1, 000 milles, ou un iPhone qui se recharge en deux minutes, ou pouvoir utiliser l'énergie solaire stockée après le coucher du soleil, peut-être tous dans quelques années. Mais, dit Grey :« Si nous voulons vraiment passer à une économie à faible émission de carbone, nous devons réfléchir à la façon de résoudre ces problèmes maintenant. Nous continuons à pousser de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes parce que, sans eux, les champs de recherche stagnent.