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SmartphoneSavoir 46209

C’est certain: cette année, nous verrons apparaître LA batterie miraculeuse!

«Avec cette batterie, votre smartphone dure une semaine!», «Cette nouvelle batterie charge en 15 minutes!» Nous avons tous déjà lu ces phrases. Chaque mois, de nouveaux articles vantent les mérites d’une superbatterie en passe d’arriver sur le marché. Bon, et si on brossait un portrait un peu plus réaliste de la situation?

Début 2016, Philipp Rüegg et moi avons investi la modeste rédaction de digitec et Galaxus. J’ai consacré l’un de mes premiers articles au Mobile World Congress (MWC) de Barcelone. Nous sommes à présent 15 rédacteurs, et c’est Dominik Bärlocher qui se charge de tout ce qui touche aux smartphones. Il le fait d’ailleurs bien mieux que moi, mais là n’est pas la question. À l’époque, l’entreprise MyFC a présenté la JAQ, une pile à combustible qui charge les smartphones sans prise grâce à des cartouches remplaçables. Cool!

Deux ans plus tard qu’est devenue la JAQ? De nombreux communiqués de presse (en anglais) y ont été consacrés, mais on ne peut malheureusement toujours pas l’admirer en magasin. Un peu comme l’ordinateur portable NEC avec pile à combustible, dont un prototype (en anglais) a déjà été présenté il y a 15 ans.

Les piles à combustible sont-elles une technologie obsolète? Bien sûr que non. Toyota mise beaucoup sur elles en ce moment. S’il n’a pas encore un succès retentissant, il a des ambitions écologiques. Les piles à combustible sont plus que jamais un accumulateur d’énergie portatif très prometteur.

L’industrie automobile est un terrain fertile. Le besoin déjà énorme en meilleurs accumulateurs d’énergie et surtout en batteries donne des ailes à Tesla et compagnie. Il en va de même de la technologie photovoltaïque, qui est de plus en plus utilisée à des prix toujours plus attrayants. Le monde attend désespérément la prochaine génération de batterie. Vous aussi, n’est-ce pas?

«The Next Big Thing»

Des versions intermédiaires et autres matériaux «magiques» sont souvent présentés comme la toute dernière révolution. Pourquoi ne pas acquérir quelques notions théoriques avant de nous emballer pour la prochaine soi-disant superbatterie qui n’arrivera de toute façon pas sur le marché avant plusieurs années?

Si les résultats des laboratoires de recherche ont tendance à être très avantageusement présentés dans la presse, la grande partie des concepts sont rejetés. Évidemment, ces échecs ne font pas les gros titres, même s’ils sont tout aussi importants que les réussites.

En parlant de recherche, développer une batterie est un travail de très longue haleine. En effet, il faut au moins dix ans pour qu’une batterie passe du laboratoire à la boutique en ligne. La création d’une voie de production dure plusieurs années à elle seule. Les fabricants des appareils finaux doivent adapter leurs produits, leurs chargeurs et leurs processus. Les autorités exigent des contrôles de sécurités détaillés. Bosch, le plus grand équipementier sur la planète, a décidé d’abandonner la fabrication de ses propres cellules de batterie en février, car elles coûtaient trop cher.

Les nouvelles batteries doivent bien entendu être meilleures que leurs prédécesseures, sinon à quoi bon poursuivre cette course d’obstacles si coûteuse? Dans l’idéal, elles doivent posséder diverses propriétés adaptées à leurs diverses utilisations:

  • Densité énergétique gravimétrique (en Wh/kg, quel est le poids de la batterie?)
  • Densité énergétique volumétrique (en Wh/l, quelle est la taille de la batterie?)
  • Matériaux à faible coût
  • Performance (à quelle vitesse le courant est-il prélevé et la batterie charge-t-elle?)
  • Résistance au cyclage (combien de fois la batterie se charge et se décharge-t-elle sans perte de capacité?)
  • Sécurité (quelle est l’intensité des réactions chimiques?)
  • Efficacité énergétique (quelles pertes énergétiques le processus occasionne-t-il, notamment en raison de la chaleur?
  • Le moins de changements volumétriques possible lors de la charge et de la décharge
  • Tension aussi constante que possible durant le processus de décharge
  • Impact environnemental (à quel point les éléments sont-ils toxiques?)
  • Flexibilité (sous quelles formes la batterie peut-elle être utilisée?)
  • Faibles effets d’inertie ou effets mémoire
  • Moindres dommages en cas de surcharge ou de décharge profonde
  • Faible décharge spontanée
  • Résistance à de très hautes et très basses températures

...Wouah! Une batterie qui satisfait tous ces critères doit être vraiment incroyable!

Toutes ces propriétés n’ont pas toujours la même importance. Ainsi, les batteries de voiture fonctionnent jusqu’à présent avec du plomb et du soufre, car elles sont peu onéreuses et elles n’ont pas besoin d’être les plus légères possible. Les batteries de maison, qui stockent l’électricité solaire, ne coûtent pas cher et peuvent être volumineuses, puisqu’elles sont placées dans les caves. Les appareils mobiles nécessitent par contre des batteries très compactes et les plus légères possible.

Cependant, optimiser une des propriétés se fait pratiquement toujours au détriment d’une autre, ce qui complique les choses. L’exemple de Samsung ci-dessus le montre bien: la batterie au graphène se charge certes extrêmement rapidement et possède une très haute capacité grâce à son nouveau matériau extraordinaire, mais elle doit être volumineuse, car les boules de graphène ont une densité volumétrique nettement plus élevée que le graphite conventionnel (l’article vers lequel renvoie ce lien a d’ailleurs été rédigé par un des chercheurs de Samsung).

La recherche fondamentale

Pour ne pas vous faire berner par les gros titres, il vous faut comprendre les progrès réels de la recherche. Je vous montre comment et pourquoi une batterie fonctionne. Pour cela, nous faisons une incursion dans l’univers de l’électrochimie. L’idée vous donne des sueurs froides? Pas de panique. C’est un sujet compliqué, certes, mais je vais me concentrer sur l’essentiel.

Le fonctionnement de n’importe quelle pile ou batterie s’explique très simplement: lorsque vous connectez un objet qui consomme de l’énergie (une ampoule, par exemple), l’énergie chimique stockée est transformée en énergie électrique. Contrairement aux piles jetables, les batteries peuvent aussi faire le processus inverse, c’est-à-dire stocker de l’énergie électrique sous forme d’énergie chimique.

Plusieurs méthodes et matériaux sont utilisés, mais les batteries possèdent toujours les mêmes éléments: deux électrodes, un électrolyte et un séparateur. Lorsqu’un objet qui consomme de l’énergie est connecté à une batterie, il ferme le circuit électrique et provoque une réaction chimique qui permet aux électrons de circuler.

  • Les électrodes (pôles) se composent de matériaux différents. L’un à une liaison faible aux électrons et émet des ions. L’autre capte les électrons et intègre les ions libres à une nouvelle molécule.
  • L’électrolyte est le lieu où se rassemblent les ions libres (un ion est simplement une molécule chargée d’électricité).
  • Le séparateur sépare les électrodes en termes d’espace et d’électricité. Il ne laisse passer que les ions, rien d’autre. Pas même les électrons. Sans lui, la batterie se court-circuiterait elle-même.

L’une des électrodes se nomme «anode», l’autre «cathode». Lors de la décharge, l’anode est le pôle négatif, la cathode le pôle positif. Lors de la charge, les pôles sont inversés. Les termes «anode» et «cathode» sont donc plus précis que «pôle positif» et «pôle négatif». L’anode génère une réaction chimique qui émet des électrons. Les atomes chargés positivement – les fameux ions! – sont libérés et veulent absolument redevenir neutres. Ils migrent vers les électrolytes. La cathode capte les électrons et réagit dans une autre molécule. Les ions sont attirés vers le séparateur et réintégrés.

La différence que crée ce processus après la réaction dans une autre molécule se nomme «potentiel d’oxydoréduction». Il est mesuré en volts. On peut vérifier quel potentiel ont les différentes molécules à l’aide de listes de potentiels standards. En étudiant le tableau Wikipédia ci-dessous, vous verrez pourquoi le lithium est si intéressant.

Et comment l’électricité est-elle produite?

La batterie abrite deux couples de réactions compatibles: les électrons circulent de l’anode vers la cathode et les réactions des deux côtés doivent vouloir interagir avec les mêmes ions. L’anode cède des électrons et laisse des ions. Ce processus se nomme «oxydation». La cathode capte les électrons et fixe les ions. Ce phénomène se nomme «réduction» en chimie. Les deux pris ensemble forment ce qu’on appelle une réaction d’oxydoréduction. Il s’agit donc de deux (!) couples de réactions chimiques qui interagissent en tant que système complet: les couples oxydant/réducteur.

Les réactions chimiques ont lieu dans la cellule aussi longtemps que les deux électrodes possèdent des molécules qui libèrent encore des électrons ou veulent en absorber. Dès qu’une des électrodes n’a plus de molécules ou qu’il ne peut plus libérer ou absorber des électrons et des ions et les lier, le processus s’arrête. Autrement dit, la batterie est vide. Ce qui est fantastique, c’est que la batterie inverse la réaction chimique lorsqu’on l’alimente en électrons.

Si l’électricité était un cours d’eau, la tension entre les deux pôles serait comme deux endroits en amont et en aval, l’un étant très élevé, l’autre très bas. Comme l’eau, les électrons veulent «descendre le courant» vers l’autre pôle, et leur nombre détermine la force du courant, mesurée en ampères. La force de la pression, l’inclinaison de la pente (en volts) et la quantité d’eau qui coule (ampères) déterminent s’il s’agit d’un ruisseau ou d’un fleuve. Le produit des volts multipliés par les ampères donne la puissance en watts. L’énergie est calculée en multipliant la puissance par l’unité de temps (mAh, Wh).

Ces rapports sont importants: dans votre smartphone ou votre ordinateur, la capacité est généralement fournie en milliampères/heure (mAh). Le paragraphe précédent vous montre que les mAh ne vous diront pas grand-chose si vous ne connaissez pas la tension de la cellule en volts. Voici un exemple: vous avez une batterie nickel-cadmium de 1000 mAh et une batterie lithium-ion de 500 mAh. Laquelle a une plus grande capacité? La batterie NiCd a une tension nominale de 1,2 volt. La batterie Li-ion une tension nominale de 3,6 volts. Par analogie avec la formule ci-dessous, watt-heure = volts x mAh. Divisez le tout par 1000, car nous calculons en milliampères-heures. La batterie NiCd stocke 1,2 watt-heure d’énergie, la batterie Li-ion 1,8 watt-heure!

La tension change en fonction du niveau de charge: elle est bien plus élevée lorsque la batterie est complètement chargée que lorsqu’elle est presque vide. La tension des batteries des voitures va de 1,75 volt à 2,4 volts selon le niveau de charge. La construction d’une batterie dépend de la tension souhaitée. Les automobilistes parmi vous savent qu’une batterie de voiture n’a pas 2 mais 12 volts, car elle se compose de 6 cellules montées en série. La tension s’additionne à 12 volts. Ou, pour être plus précis, à une valeur qui se situe entre 10,5 V et 14,4 V. La tension de cellule est d’ailleurs l’un des divers mécanismes qui indiquent le niveau de charge de la batterie.

Une batterie au plomb sciée en deux: les 6 cellules s’additionnent pour donner une tension d’environ 12 volts. Image: Wikipédia/Ben Cossalter

Les cellules peuvent également être montées en parallèle afin d’augmenter la capacité de la batterie. L’image ci-dessus l’illustre bien: chaque cellule est faite d’un «sandwich» de plaques de plomb et de plaques d’oxyde de plomb.

Pourquoi les batteries vieillissent-elles?

Comme vous le voyez sur l’image de la très vieille batterie à plomb ci-dessus, les processus de charge et de décharge ne peuvent être répétés indéfiniment. Des cristaux de PbSO₄ de plus en plus gros se sont formés sur les électrodes autrefois immaculés. Ils réduisent fortement la surface électrochimique active et diminuent la capacité.

Des phénomènes très similaires se produisent dans les batteries lithium-ion, les endommageant au fil du temps. Un film se forme sur l’anode lors des charges et finit par recouvrir la surface du graphite, empêchant le graphite d’interagir avec l’électrolyte et les ions. La capacité diminue. Par ailleurs, un effet nommé «oxydation de l’électrolyte» se produit souvent dans la cathode lorsque la tension de la cellule est élevée, c’est-à-dire lorsque la cellule est complètement chargée. Les batteries Li-ion sont considérées comme usagées lorsqu’il ne leur reste plus que 80 % de leur capacité originale. À ce stade, la batterie vieillit de plus en plus rapidement.

Pour résumer, plusieurs réactions chimiques ne se déroulent pas complètement. Ces effets s’intensifient dans de nombreux types de batteries lorsqu’elles sont entièrement vides ou entièrement pleines. Des températures très basses ou très élevées et une charge ou une décharge trop rapide accélèrent également ces processus indésirables. L’efficacité de la réaction chimique est nommée efficacité de Coulomb ou rendement de Faraday.

En laboratoire, on tente de minimiser ces effets négatifs à l’aide de nouveaux matériaux ou d’additifs ajoutés à l’électrolyte. C’est aussi la raison pour laquelle l’anode de nombreuses batteries est recouverte de graphite. Le lithium n’est pas exposé directement à l’électrolyte et s’endommage donc bien moins rapidement.

La densité énergétique

Vous savez maintenant à quoi s’emploie la recherche:

  • trouver de nouveaux matériaux pour l’anode et la cathode qui offrent une surface bien plus grande au niveau moléculaire. Plus la surface est grande, plus la charge et la décharge sont rapides.
  • trouver de nouveaux matériaux pour l’anode et la cathode qui peuvent absorber les ions et libérer les électrons en plus grande quantité. Plus le matériau est actif, plus la capacité est élevée.
  • trouver de nouveaux matériaux pour l’anode et la cathode qui permettent autant que possible une oxydation et une réduction à 100 %. Plus les réactions sont complètes et exemptes de «résidus», plus la batterie dure longtemps.

Bon, il est temps d’en venir à l’essentiel! Sur quelles technologies se penche la recherche, et qu’est-ce qui les rend si prometteuses?

Densités énergétiques de divers accumulateurs. Graphique: Sven Mathis

Le graphique est très simplifié. La densité énergétique ne peut pas vraiment être illustrée sous forme de rectangle. Imaginez-vous plutôt des points représentant les divers types de batteries. LA batterie NiMH et LA batterie Li-ion n’existent pas; il y a toutes sortes de variantes. Chaque type continue à être développé afin que les modèles modernes se positionnent plutôt à droite ou plutôt en haut du tableau – dans l’idéal le plus en haut à droite possible. Les technologies en pleine évolution comme les batteries lithium-soufre se situent en bas à gauche, alors que le coin en haut à droite représente les maximums prévus. Je me suis basé sur ces estimations pratiques, pas sur le maximum théorique.

Le graphique illustre aussi très bien l’histoire de la batterie:

  • 1859: batterie plomb-acide
  • 1899: batterie nickel-cadmium (NiCd)
  • 1980: batterie nickel-hydrure métallique
  • 1991: batterie lithium-ion

Si on comparait la densité énergétique de ces batteries à celle de l’essence et du diesel, le graphique aurait une tout autre apparence. Toutes les batteries seraient entassées en bas à gauche. L’essence triomphe avec 13 000 Wh par litre. Montons d’un cran: la densité énergétique de la fission nucléaire, des millions de fois plus élevée, bat tous les éléments du tableau.

Des approches très prometteuses

L’accumulateur lithium-ion

L’accumulateur lithium-ion est le leader du domaine. Il a des avantages décisifs par rapport à ses prédécesseurs. L’effet mémoire n’est presque plus d’actualité; ce qui rend la charge et la décharge complètes inutiles et représente un atout inestimable au quotidien. Ce type de batterie est également plus petit, plus écologique et moins cher. Il a une plus faible décharge spontanée que les batteries NiMH, qui perdent 20 % par mois.

Il n’existe pas une seule et unique batterie lithium-ion, mais plutôt divers modèles. Tous se distinguent par leur bonne densité énergétique et leur faible décharge spontanée. De plus, les versions modernes résistent à quelques centaines de cycles de charge. Elles sont suffisamment sûres si on ne les comprime pas, comme ça a été le cas du Samsung Note 7, car le graphite sur la cathode gonfle lorsque les ions lithium sont captés. Si l’espace n’est pas suffisant, la batterie explose, et le lithium, extrêmement réactif, réagit avec le reste de la batterie.

La batterie lithium-ion a aussi de gros inconvénients. Elle supporte mal la chaleur et se brise rapidement lorsque la température est élevée. Elle ne peut être chargée lorsque le thermomètre descend sous 0°C, et les décharges profondes la détruisent. C’est pourquoi, si vous la démontiez, vous trouveriez un système électronique complexe et même un capteur de température. L’électronique contribue au respect de paramètres sûrs et prévient les dommages. Par contre, elle induit une perte de charge d’environ 3 à 5 % par mois sans que vous n’utilisiez la batterie.

Surtout, ne démontez pas vos batteries et vos piles, c’est dangereux! Admirez plutôt la batterie (remplaçable) d’ordinateur portable suivante:

Les fils bruns correspondent au capteur de température. On voit très bien comment les cellules individuelles sont montées en série et en parallèle. De nombreuses batteries de portables sont faites de cellules 18650. Source: Wikipédia/Lead holder

Vous souvenez-vous encore des propriétés des batteries que je vous ai présentées au début de mon article? C’est précisément pour cette raison qu’il existe un grand nombre de modèles de batteries lithium-ion. Parfois, l’accent est mis sur la sécurité, parfois la résistance au cyclage. Les smartphones sont presque toujours dotés d’une technologie au cobalt, LiCoO₂ (LCO) pour être précis. C’est le premier type à avoir été développé; sa puissance a plus que doublé depuis 1991. Voici les autres modèles courants en comparaison:

Données de référence de plusieurs accumulateurs lithium-ion. Plus les barres sont élevées, meilleure est la valeur. Sources: Boston Consulting Group, batteryuniversity.com. Graphique: Sven Mathis

La batterie lithium-polymère

Si vous possédez des véhicules télécommandés, vous connaissez peut-être les batteries lithium-polymère (LiPo). Elles devraient en fait être nommées «batteries lithium-ion polymère», car d’un point de vue électrochimique, elles sont similaires aux modèles présentés ci-dessous. C’est l’électrolyte qui les distingue: il est liquide dans les batteries Li-ion courantes, solide dans les batteries polymère. Les polymères sont des macromolécules filamenteuses alignées les unes derrière les autres présentes dans la nature (vos cheveux, par exemple) et fabriquées artificiellement. Dans les batteries LiPo, les polymères se présentent sous forme de substances gélatineuses filamenteuses. Elles sont conductrices et absorbent un grand nombre d’ions.

L’électrolyte solide a des avantages pratiques. Grâce à leur stabilité intrinsèque, les LiPo peuvent être fabriquées sous diverses formes. Elles n’ont pas besoin d’une coque très stable, une feuille fine et légère suffit. Vous savez peut-être que les batteries RC sont particulièrement sensibles. Lorsqu’elles sont endommagées ou surchargées, elles se gonflent et prennent vite feu. Les modélistes entreposent leurs batteries lithium-polymère dans des sacs ignifugés afin d’éviter tout incendie.

Ces batteries sont inflammables parce que la densité énergétique et la légèreté ont été privilégiées au détriment de la sécurité. En contrepartie, le chargeur est doté de dispositifs de sécurité électroniques. En principe, les batteries lithium-polymère peuvent être fabriquées de manière à être aussi sûres que les batteries lithium-ion. Le Macbook Pro sur lequel je rédige cet article possède d’ailleurs une LiPo à six cellules.

La batterie lithium-métal

Les batteries lithium-métal sont considérées comme une suite prometteuse à la technique lithium-ion. Le lithium-métal est en fait déjà utilisé, mais pas sous une forme rechargeable. Les piles bouton au lithium en sont un bon exemple. Les batteries lithium-métal promettent une densité énergétique deux fois plus élevée que les batteries Li-ion et une faible décharge spontanée, car, en l’absence d’une couche de graphite, le lithium est directement exposé à l’électrolyte. La surface chimiquement active est donc très grande, ce qui augmente la capacité et diminue le temps de charge. Ces batteries sont également plus compactes puisqu’elles ne contiennent pas de graphite.

Les batteries lithium-métal rechargeables ne sont pas prêtes à être commercialisées. En effet, les métaux directement exposés forment ce qu’on appelle des dendrites à chaque cycle. Il s’agit de dépôts qui forment une stalagmite dans l’électrolyte et peuvent même transpercer le séparateur, provoquant un court-circuit. Les chercheurs ne sont pas encore parvenus à éviter ou ralentir suffisamment la formation de ces dendrites.

La batterie solide

Les batteries solides («solid-state batteries» en anglais) font de nouveau parler d’elles. Elles ne sont en réalité qu’un élément facilitant la fabrication des batteries lithium-métal. Contrairement aux batteries à électrolyte liquide, l’électrolyte est fait d’un matériau poreux ou cristallin moins épais que le «sandwich» électrolyte liquide-séparateur-électrolyte liquide qui empêche la formation des dendrites. Cette méthode favorise aussi la création de formes bien plus flexibles, telles que des feuilles. Les batteries solides ont tendance à avoir une durée de vie plus longue. Elles sont aussi plus sûres, car l’électrolyte ne peut pas s’en écouler.

Vous connaissez la rengaine: quelles propriétés ont été sacrifiées? Leur performance. Les batteries solides que l’on a connues jusqu’à présent conduisent moins bien les ions que leurs pendants liquides. La charge est donc plus lente, et la décharge produit des courants moins puissants. Les modèles contemporains supportent aussi moins bien les faibles températures. Les prototypes ne résistent qu’à quelques centaines de cycles, et les électrolytes solides actuels sont extrêmement chers. Une batterie de voiture à électrolyte solide coûterait des dizaines de milliers de francs.

La batterie lithium-soufre

La batterie lithium-soufre est considérée comme un successeur à haut potentiel. Elle est peaufinée depuis les années 60. Sa densité énergétique est environ trois fois plus grande que celle des batteries Li-ion. Le lithium et le soufre sont légers. La réaction chimique a lieu à basse température, et la batterie se charge jusqu’à -60°C. Elle est écologique, et le soufre est loin d’être un élément rare.

Tout comme dans les batteries lithium-métal, l’anode n’est pas recouverte de graphite, ce qui la rend plus légère et plus compacte. L’oxyde de métal de la cathode est remplacé par du soufre, moins cher et plus léger. La réaction chimique est efficace, car deux ions lithium peuvent se fixer à chaque molécule.

La densité énergétique et la puissance obtiennent déjà des valeurs très élevées en laboratoire. Malheureusement, les prototypes optimisés ne résistent pas longtemps. Ils ne peuvent accomplir que quelques douzaines de cycles. Ces cinq dernières années, les chercheurs ont augmenté les cycles à plus de 4000 en sacrifiant puissance et densité énergétique.

La batterie lithium-air

Les chercheurs travaillent sur les batteries lithium-air depuis les années 70. C’est le nec plus ultra de la recherche en matière de batterie, pour deux raisons: elles économisent énormément de place, car l’une des composantes réactives (l’O₂) provient de l’environnement, et elles ont une densité énergétique théorique de 13 kWh par kilo équivalente à celle de l’essence. En pratique, elles devraient atteindre environ 2800 Wh/kg. Étant donné que le moteur à combustion a un faible rendement de 30 %, une batterie lithium-air (rendement de 90 %) serait révolutionnaire dans une voiture électrique.

Nous devrons sans doute nous armer de patience. Plusieurs chercheurs doutent même qu’elles n’arrivent jamais sur le marché de masse en raison de leurs nombreux problèmes.

La batterie sodium-ion

Dans les batteries sodium-ion, le lithium est remplacé par du sodium. La densité énergétique est assez faible; elle se situe à environ 90 Wh/kg. De telles batteries seraient donc très lourdes et volumineuses. En revanche, le sodium est une ressource plus sûre que le lithium. Elle est aussi presque illimitée et donc très bon marché. De plus, la réaction chimique résiste aux décharges profondes.

Le graphène

Le graphène. (Source:Wikipédia/AlexanderAlUS)

Du graphite est utilisé sur les électrodes des batteries Li-ion. Il s’agit d’une forme de carbone pure, comme le diamant, sauf que sa structure atomique est différente. Il en va de même du graphène, dont la structure hexagonale en 2D ressemble à un nid d’abeilles. Le graphène fait rêver. Il a des propriétés étonnantes: 125 fois plus résistant à la traction que l’acier, il est aussi plus dur que le diamant. Il peut être enroulé, il est transparent et imperméable aux liquides. En plus, il est extrêmement conducteur.

Cette dernière propriété le rend intéressant pour les batteries. La stabilité du graphène augmente nettement la durée de vie de l’anode qu’il recouvre. En tant que matériau de cathode, il diminuerait drastiquement le temps de charge en mettant une grande surface à disposition et augmenterait énormément la capacité de la batterie.

En théorie, le graphène pourrait favoriser la création de bien meilleures batteries. Je dis bien «en théorie». Le buzz qu’il crée est proportionnel à ses propriétés. Le problème, c’est qu’il est difficile à produire en grande quantité dans sa forme pure. Il faudra sans doute encore attendre une dizaine d’années avant qu’il ne soit intégré aux batteries.

La pile à combustible

Les piles à combustible se présentent sous de nombreuses variantes. Elles fonctionnent avec des composés d’alcool, des solutions de glucose ou de l’hydrogène comprimé. Contrairement à un moteur à combustion, ces éléments transforment directement l’énergie chimique en énergie électrique à l’aide d’un agent oxydant. «Pile à combustible» prête donc légèrement à confusion.

La pile à combustible hydrogène/oxygène est la variante la plus courante. Elle a l’avantage de pouvoir tirer l’une des composantes réactives essentielles, l’agent oxydant (l’oxygène), de l’environnement. Le produit de la réaction chimique – le «gaz d’échappement» – est de l’eau, ce qui semble particulièrement bénéfique pour l’environnement. Au niveau local, les piles à combustible pourraient avoir un effet nettoyant miraculeux et résoudre entièrement les problèmes de gaz d’échappement dans les villes.

Au niveau global, sa production n’est cependant pas écologique, car l’ensemble du processus de production, de la fabrication du mélange détonant ou du méthanol à la transformation en énergie électrique n’est pas du tout efficace. Le rendement de l’ensemble de la chaîne, de la fabrication à la transformation, se situe à peu près à 60 %. C’est moins le cas dans les régions où les énergies renouvelables sont disponibles en abondance.

La pile à combustible est commercialisée. Sa miniaturisation est presque réalisable, si ce n’est de l’infrastructure qu’elle requiert. Et plus les nouvelles technologiques deviennent prometteuses, plus l’inefficacité de la pile à combustible la désavantage.

Pour terminer

Oups, mon article est plus long que ce que j’avais prévu. Au moins, vous savez maintenant comment fonctionne une batterie et à quelles améliorations vous pouvez vous attendre dans ce domaine. C’est un sujet passionnant, et certaines des approches illustrées ci-dessous donnent presque des résultats concrets. Qui sait? Peut-être qu’une nouvelle start-up changera complètement la donne. Vous avez suffisamment de connaissances de base pour pouvoir évaluer les différentes technologies. Si vous voulez approfondir le sujet, je vous recommande de consulter le site batteryuniversity.com (en anglais).

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Je dompte la rédaction. Rédacteur le jour, papa le soir. Je m’intéresse à la technique, aux ordinateurs et à la HiFi. Je fais du vélo par tous les temps et suis presque toujours de bonne humeur.

Commentaires 46

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User muraschal

Läck Bobby
Eure Artikel werden immer fundierter - Kompliment!

Vorschlag: Vermerkt im Head ungefähre Lesezeit.
Das würde mir persönlich bei der Entscheidung "jetzt oder später lesen" helfen.

07.03.2018
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User Aurel Stevens

Merci! Wie erwähnt, das Ding ist etwas ausser Kontrolle geraten. Es packt mich dann einfach.

Nächstes Mal mach ich eine Warnung für lange Lesezeit, versprochen. Setz doch in der Zwischenzeit einen Bookmark auf Facebook ;)

07.03.2018
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User sapre

Da kann ich mich nur anschliessen. Weiter so!!

08.03.2018
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User 7m758i7463b7643634n

Ein wirklich gut gelungener und recherchierter Artikel! *Lob*

07.03.2018
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User tschohel

Ich liebe Tabellen, Diagramme und Grafiken, schön in einen Artikel eingebunden. So macht es richtig Lust, einen Artikel zu lesen. Wirklich gute Arbeit!

07.03.2018
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User Anonymous

W (Watt) gibt die Leistung an, und nicht die Energie. Energie wäre Ws (Wattsekunden) ;)
Aber abgesehen von diesem Schönheitsfehler ein toller Artikel. Daumen hoch!

07.03.2018
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User Aurel Stevens

Danke. Geflickt.

07.03.2018
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User Ajeje

Schliesse mich an: Sehr informativer Artikel.
Muss aber auch noch ein Häärchen spalten ;-)
Energie ist Leistung *mal* Zeit (Produkt), nicht pro Zeiteinheit (Quotient), und mAh (Strom mal Zeit) ist Ladung, nicht Energie.
Das bedeutet auch, dass der NiCd Akku im Beispiel tatsächlich auch mehr Kapazität hat (da die Kapazität die speicherbare Ladungsmenge angibt), während der Li-Ion mehr Energie speichert.

09.03.2018
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User Anonymous

Stimmt! Ich mag Härchenspaltereien :)

09.03.2018
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User martidiriy12

Gratulation. So informativ und gut geschrieben wurde mir das Thema noch nie nähergebracht. Den Link dazu habe ich gleich im Bekanntenkreis verteilt. Macht weiter so.

08.03.2018
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User phaupt

Wow!
Ein richtig gelungener, informativer und sehr gut recherchierter Artikel.
Sowas liest man wirklich sehr, sehr gerne! Weiter so!

07.03.2018
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User garrybac

Ist Nanflowcell (nanoflowcell.com) nur Marketing oder ist da doch mehr dran?
Die Flusszellentechnologie ist ja nicht neu und wird im Grossformat eingesetzt...

08.03.2018
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User Aurel Stevens

Die Redox-Flow-Battery ist auf jeden Fall interessant! Habe angesichts der recht geringen Energiedichte gewisse Fragezeichen, wieso man das in einem Auto einbauen sollte... ich hätte die Technologie genau wie du als grossen stationären Speicher vermutet, wo es mit Wasserkraftwerk, Sand-Energie-Werk oder Druckluftspeicher etc. konkurriert.

08.03.2018
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User alex.schuetz

Flusszellen tech habe ich auch aus intresse verfolgt. Jedoch ist es in den letzten 2 Jahren ruhig geworden um die zürcher Firma. Ich weis nicht ob diese Technologie schlussendlich am Vertrieb scheitert. Bin gespannt ob da sich noch was tuht.

11.03.2018
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User timetobuy

Wollte gerade auch auf nanoflowcell ansprechen, a) ich habe die Autos live fahren sehen (ohne extra - gimmicks), die Technologie scheint also zu funktionieren und b) laut den Inhabern des Unternehmens besteht die Herausforderung an sich im Marktgang. Mehr weiss ich auch nicht, aber man kann hoffen.
PS: Artikel top!

14.03.2018
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User marct756

„Leistung pro Zeiteinheit (mAh, Wh) ist Energie.„

Kleiner Tippfehler: Leistung mal Zeiteinheit ist Energie.

Ansonsten, guter Artikel!

08.03.2018
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User Aurel Stevens

digitec.ch/thx

09.03.2018
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User Anonymous

Nur durchgescrollt, sieht aber gut aus. Die Energiedichte kann mit bestehenden Technologien nicht mehr gross gesteigert werden. Das ist kein Geheimnis. Gegenteilige Marketingbehauptungen sind Unsinn.

08.03.2018
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User Anonymous

Bei der möglichen Stomentnahme pro Zeit hat sich aber vor ein paar Jahren was getan. (Altair Nanosave - in Verwendung bei Tesla.) Aber auch da gibt es physikalische Grenzen. Aus diesen Gründen werden die Akkus in kleineren und leichteren Telefonen wieder kleiner. (siehe mAh oder Wh Angaben.)
PS: Der Artikel sieht allein beim Durchscrollen fundiert aus. Ich werde ihn bei Zeit und Musse gerne durchlesen.

08.03.2018
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User jaceneliot

Un long et assez bon article, mais pas un mot sur le critère essentiel : il faut absolument que les prochaines batterie utilisent un matériau qu'on a en abondance, et de manière écologique et responsable. Par exemple sans tuer 6 millions d'africains à cause des mines.

23.03.2018
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User alex.schuetz

Guter Artikel... der mal einige Fragezeichen knickt.
Wie lange die Einführung der Graphen akkus noch braucht ist ungewiss. Fakt ist, dass diese Akus bereits verfügbar sind und eingesetzt werden. jedoch noch einen sehr hohen Preis haben und die reinheiten etwas schwankend sind.

11.03.2018
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User alex.schuetz

Die Herausforderung ist es eine Methode zu entwikeln mit der Graphene im grossen Masstab hergestellt werden kann und bezahlbar wird. Momenthan wecken Lössungen mit sojaproteinen grosse Hoffnung. Also jeder der wenig Geduld und eine Küche hat, kann mit experimentieren :)

11.03.2018
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User firlefanz

Schliesse mich auch an mit eigenem Kommentar:
Toller, aufschlussreicher, klärender, klugmachender Artikel.
Danke vielmals.

Jep. Das mit ungefährer Lesezeit finde ich ne gute Idee.

13.03.2018
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User FranzBär

Hm. Hoffe die Forscher von Samsung haben auch ein Auge nach Freiburg im Preisgau, an die UNI.
swr.de/swraktuell/bw/neuart... Sie haben scheinbar die Alleskönnerbatterie entwickelt.

13.03.2018
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User seeleopard

Wirklich ein sehr gut erklärter Bericht. Auch für einen Laien verständlich dargelegt. So etwas hätte ich mir zu meiner Schulzeit im Physik-Chemie Unterricht zum Thema Batterie und Energie gewünscht. Dann wäre ich interessierter daran gegangen und hätte sicher auch bessere Noten erzielt. Bitte weiter so und vielen Dank - seeleopard

17.03.2018
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User pmsmeu

boule de graphene: Les condition de test son optimisees pour un resultat nature manuscript! masquant les performances reel du materiel.extrait..:1.3 M lithium hexafluorophosphate (LiPF6) in EC, EMC, and DEC with 1 wt% lithium bis(oxalate)borate (LiBOB) and 0.5 wt% vinyl ethylene carbonate (VEC)...

20.03.2018
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User gregoire.titze

Etes-vous sûr de vos propos concernant les batteries solides ?
Elles sont l'avenir en offrant une plage thermique d'utilisation plus confortable (-20 -> +100), temps de recharge se compte désormais en minutes et non plus en heures et surtout on peut doubler la capacité de charge et de décharge, donc l'autonomie, tout en augmentant la durée de vie. Les premiers tests verront le jour en 2020.

23.03.2018
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User mario

Leistungsstarke Akkus sind eine tolle Sache, aber wir sehen derzeit auch, dass großer Energieinhalt auch ein Sicherheitsrisiko darstellt. Hersteller und Anwender werden die Akkus in Zukunft mit immer mehr "Respekt" behandeln müssen.

27.03.2018
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User dearheart

For several years I have avoided getting battery powered devices. But it gets harder and harder to avoid. I just hope that there will come a better battery technology soon. No only the many mobile phones, but all the cars of the future, etc - is a huge issue for the environment.

04.04.2018
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