Alors que les performances des smartphones et des objets connectés progressent à grands pas, ces équipements sont malheureusement limités par leurs batteries. Les puces et les systèmes d’exploitation sont de plus en plus efficaces pour économiser de l’énergie, mais les meilleures batteries de smartphones ne peuvent tenir qu’un jour ou deux avant de devoir être rechargées. Ces batteries ont à peine progressé depuis des décennies, mais les choses sont sur le point de changer. Des firmes et des chercheurs du monde entier travaillent sur des technologies de stockage d’énergie qui vont révolutionner les batteries des téléphones mobiles. Nous avons rassemblé toutes les meilleures découvertes qui pourraient bientôt arriver sur les marchés.
La technologie actuelle
Lancée en 1991, par Sony, la batterie Li-ion est aujourd’hui la technologie la plus utilisée. La plupart des appareils mobiles, en occurrence, les téléphones portables, les ordinateurs portables et les appareils photo, fonctionnent avec des batteries rechargeables au lithium-ion. De plus grandes batteries au lithium-ion alimentent également des voitures électriques et stockent de l’énergie à partir de l’énergie solaire, comme la «plus grande batterie du monde» prévue par Tesla en Australie du Sud.
Le lithium, étant le métal le plus léger, il est très attractif pour les batteries car il peut stocker une grande quantité de charge comparativement à son poids. Cette caractéristique lui confère une densité énergétique beaucoup plus élevée que les batteries au nickel ou les piles alcalines que l’on trouve dans les supermarchés.
En dépit de ces caractéristiques, les batteries lithium-ion ont atteint leurs limites en ce qui concernent les smartphones. Leur durée de charge (deux à trois heures pour les batteries les plus performantes)est une vraie contrainte pour les utilisateurs qui doivent attendre des heures avant de voir leurs batteries chargées à bloc. La quantité d’énergie que ces batteries peuvent stocker par unité de volume pose également problème, car étant trop faible. Les batteries Li-ion ont également d’autres inconvénients. Leur sécurité notamment est une préoccupation. La batterie contient un électrolyte liquide inflammable. Donc, un feu de batterie, bien que rare, peut arriver.
Ce sont toutes ces contraintes qui ont amené les chercheurs à plancher sur de nouvelles technologies de stockage plus performantes. Certaines sont prêtes à être mises sur le marché, tandis que d’autres n’en sont qu’à leurs premiers balbutiements.
Les batteries aux nanofils d’or
Les grands esprits de l’Université de Californie à Irvine ont mis au point des batteries de nanofils qui peuvent supporter un nombre impressionnant de cycles de recharge. Le résultat pourrait être de futures batteries qui ne meurent pas. Les nanofils, mille fois plus minces qu’un cheveu humain, offrent une grande possibilité pour les futures batteries, mais jusqu’ici la plupart des essais n’avaient pas été concluants. Cette découverte utilise des nanofils d’or dans un électrolyte en gel pour éviter que les fils cassent lors de la recharge. En fait, ces batteries ont été rechargées plus de 200 000 fois en trois mois et elles n’ont montré aucun signe de dégradation.
Les batteries solides
Les batteries à semi-conducteurs offrent traditionnellement une grande stabilité mais elles requièrent des électrolytes liquides pour la circulation des ions. Les accumulateurs solides au lithium sont dépourvus de liquide électrolytique, ce qui les rend plus sûres que les batteries actuelles tout en étant capables de se recharger plus rapidement.
Ceci est idéal pour les batteries de smartphones, car cela signifie que le téléphone peut utiliser plus de puissance pour un fonctionnement rapide et l’utilisateur passera moins de temps à recharger sa batterie. Le résultat est une batterie qui peut se charger complètement en seulement sept minutes. Comme elle est à l’état solide, elle sera beaucoup plus stable et plus sûre que les batteries actuelles. Ces nouvelles batteries pourraient également fonctionner à des températures très basses, de l’ordre de -30°C.
Piles à combustible pour téléphones
Une nouvelle pile à combustible miniature vient d’être mise au point. De part ses caractéristiques, elle pourrait doubler la capacité énergétique des téléphones actuels. Avec elle, les téléphones ne devraient être rechargés qu’une seule fois par semaine. Les scientifiques de l’Université des Sciences et Technologies de Pohang en Corée du Sud ont, pour la première fois, combiné de l’acier inoxydable poreux avec un électrolyte à couches minces et des électrodes de capacité calorifique minimale. Le résultat est une batterie plus robuste et plus durable que les batteries lithium-ion.
Batteries au graphène
Les batteries au graphène sont l’avenir. Une entreprise a développé une nouvelle batterie, appelée Grabat, qui pourrait offrir aux téléphones et aux autres terminaux mobiles une autonomie de plusieurs semaines. Graphenano, l’entreprise à l’origine du développement, affirme que les batteries peuvent être rechargées en quelques minutes seulement. Elles peuvent charger et se décharger 33 fois plus vite que les batteries ion lithium. La capacité de stockage du Grabat 2.3V est énorme avec environ 1000 Wh/kg, contre 180 Wh/kg pour les accumulateurs au lithium ion. Le meilleur de tout cela est que ces batteries devraient être bientôt disponibles.
Les batteries graphite-aluminium
La batterie lithium-ion a un nouveau rival : la batterie graphite-aluminium, une batterie qui se charge en moins d’une minute et fonctionne encore presque parfaitement après avoir été rechargé des milliers de fois. Cette nouvelle batterie utilise de l’aluminium au lieu du lithium, ce qui devrait la rendre moins chère et plus sûre que leurs concurrents. L’équipe américaine derrière la découverte affirme que ces batteries pourraient révolutionner les smartphones. La batterie aux ions d’aluminium offre des solutions alléchantes aux problèmes liés aux accumulateurs. L’aluminium, étant le métal le plus abondant dans la croûte terrestre, il est beaucoup moins cher que le lithium. Il est également beaucoup moins réactif, ce qui rend ces batteries moins inflammables. L’aluminium libère également trois fois plus d’électrons par rapport au lithium, ce qui confère à ces batteries une capacité de charge plus élevée.
La batterie au carbone
Power Japan Plus a déjà annoncé une nouvelle technologie de batterie appelée Ryden double carbone. Non seulement, elle durera plus longtemps et chargera plus vite que les batteries actuelle, mais elle peut être fabriquée en utilisant les mêmes usines où les batteries au lithium sont construites. Les batteries utilisent des matériaux en carbone, ce qui signifie qu’elles sont plus durables et plus respectueuses de l’environnement que les alternatives actuelles. Cela signifie également que les batteries se chargeront vingt fois plus vite que leurs homologues au lithium. Elles seront également plus durables, avec la possibilité de tenir jusqu’à 3000 cycles de charge. Elles sont plus sûres avec moins de risques d’incendie ou d’explosion.
La batterie à charge super rapide du NTU
Les scientifiques de la Nanyang Technology University (NTU) ont mis au point des batteries à charge ultra-rapides pouvant être rechargées jusqu’à 70% en seulement deux minutes. Ces batteries de nouvelle génération ont également une durée de vie de plus de 20 ans, ce qui est 10 fois supérieur par rapport aux batteries lithium-ion existantes. Cette percée a un impact de grande ampleur sur toutes les industries, en particulier pour les smartphones. Avec cette nouvelle technologie du NTU, les smartphones pourraient durer encore plus longtemps. Dans la nouvelle batterie développée par NTU, le graphite traditionnellement utilisé pour l’anode (pôle négatif) est remplacé par un nouveau gel fabriqué à partir de dioxyde de titane. Le dioxyde de titane est un matériau abondant et bon marché. L’équipe NTU a trouvé un moyen de transformer le dioxyde de titane en nanotubes minuscules. Cela accélère les réactions chimiques qui se produisent dans la nouvelle batterie, permettant une recharge ultra-rapide.
Nanobatteries
Les nanobatteries sont 80 000 fois plus petites qu’un cheveu humain et peuvent offrir trois fois plus de capacité que leurs homologues actuels tout en se chargeant en seulement 12 minutes et en travaillant pendant des milliers de cycles. La percée de la nanobatterie a été faite en créant de minuscules « nanopores » qui agissent comme beaucoup de petites batteries. Combinées dans une structure en nid d’abeilles, elles forment une batterie complète. La recherche a été publiée par des scientifiques de l’université du Maryland qui ont déclaré: “Nous avons été époustouflés par la performance.” Ils ont attribué la performance améliorée aux courtes distances que l’électricité doit parcourir pour rendre les batteries beaucoup plus efficaces.
Batteries avec extincteur intégré
Il n’est pas rare que les batteries lithium-ion surchauffent, prennent feu et explosent même. La batterie du Samsung Galaxy Note 7 est un excellent exemple. Des chercheurs de l’université de Stanford ont mis au point des batteries lithium-ion avec des extincteurs intégrés. La batterie contient du phosphate de triphényle, un composé qui est couramment utilisé comme retardateur de flamme dans l’électronique. Il est ajouté aux fibres de plastique pour aider à séparer les électrodes positives et négatives. Si la température de la batterie dépasse 150 °C, les fibres plastiques fondent et le phosphate de triphényle est libéré. La recherche montre que cette nouvelle méthode peut empêcher les batteries de prendre feu en 0.4 secondes.
Batteries anti explosion
Les batteries au lithium-ion ont une couche de matériau poreux d’électrolyte liquide plutôt volatile qui est prise en sandwich entre les couches d’anode et de cathode. Cette configuration est à l’origine des cas d’explosion.
Mike Zimmerman, chercheur à l’Université Tufts dans le Massachusetts, a mis au point une batterie qui a le double de la capacité des batteries lithium-ion, mais sans les dangers inhérents. La batterie de Zimmerman est incroyablement mince, étant légèrement plus épaisse que deux cartes de crédit. Le liquide d’électrolyte est remplacé par un film plastique qui a des propriétés similaires.
Cette batterie peut résister au perçage et au déchiquetage. Elle peut même être exposée à la chaleur car elle n’est pas inflammable. Il y a encore beaucoup de recherches à faire avant que la technologie puisse arriver sur le marché, mais il est bon de savoir que des options plus sûres sont disponibles.
Les batteries carbone-ion
Il existe une nouvelle catégorie de stockage d’énergie qui utilise des nano particules de carbone et des électrolytes ioniques. Une batterie au carbone-ion combine les capacités de charge ultra-rapides d’un super condensateur avec les performances d’une batterie Lithium-ion, tout en étant entièrement recyclable.
Cela permet à l’appareil de fonctionner en toute sécurité à des tensions plus élevées, ce qui à son tour offre la possibilité d’augmenter la densité énergétique et de la rapprocher de celle d’une batterie lithium-ion. Ces systèmes pourraient également atteindre ou dépasser la densité d’énergie d’autres batteries rechargeables telles que les nickel-cadmium et les nickel-métal-hydrure. Ce type de batterie a l’avantage de cumuler la charge rapide et la longue durée de vie des super-condensateurs , sans risque d’incendie.
Batterie lithium-soufre
La batterie au lithium-soufre (Li-S) est un type de batterie rechargeable, remarquable pour son énergie spécifique très élevée. Le faible poids atomique du lithium et le poids modéré du soufre signifient que les batteries Li-S sont relativement légères. Elles ont d’ailleurs été utilisées sur un vol d’avion à énergie solaire en août 2008. Les piles au lithium-soufre peuvent remplacer les piles au lithium-ion en raison de leur plus haute densité d’énergie et de leur coût réduit. Actuellement, les meilleures batteries Li-S offrent des énergies spécifiques de l’ordre de 500 W h/kg, nettement supérieures à celles de la plupart des batteries lithium-ion, qui se situent entre 150 et 200 W h/kg. Des batteries Li-S avec jusqu’à 1500 cycles de charge et de décharge ont été conçues.
StoreDot : le chargeur haute performance
StoreDot charge les mobiles en 30 secondes. Le chargeur StoreDot fonctionne avec les smartphones actuels et a été développé par StoreDot, une start-up née du département de nanotechnologie de l’université de Tel-Aviv. Le StoreDot utilise des semi-conducteurs biologiques fabriqués à partir de composés organiques naturels connus sous le nom de peptides, de courtes chaînes d’acides aminés, qui sont les éléments constitutifs des protéines. Le résultat est un chargeur qui peut recharger les gadgets en quelques secondes. La société prévoit également de libérer un chargeur capable de réapprovisionner une voiture électrique en trois minutes seulement.
Le chargeur biologique
Le Bioo est un pot végétal qui exploite la puissance de la photosynthèse pour charger les appareils, que ce soit une tablette ou un téléphone. Cela existe déjà et peut être maintenant acheté. Bioo offre deux à trois charges par jour à 3,5 V et 0,5 A via un port USB qui est habilement déguisé en pierre. Le pot utilise des matériaux organiques qui réagissent avec l’eau et la matière organique provenant de la photosynthèse de la plante. Cela crée une réaction qui génère suffisamment de puissance pour charger les gadgets.
Les successeurs des batteries actuelles ont l’ambition de rallonger considérablement l’autonomie. Dans un proche avenir, le délai entre deux charges consécutives ne sera plus un jour ou deux, mais une voire plusieurs semaines. Les prochaines batteries auront également une meilleure densité. Cela signifie que ces batteries pourront stocker plus de charge dans la même taille physique. Leur longévité sera également améliorée : jusqu’ici, la grande majorité des smartphones devaient être changées au bout d’une année, car la baisse drastique de leur autonomie rendait leur usage difficile. Avec les nouvelles batteries, ce délai sera considérablement rallongé. Les prochaines générations de batteries pour smartphones seront également plus sûres car elles seront prémunies contre les explosions et les inflammations spontanées.