C'est un paradoxe, mais malgré l'énorme chemin parcouru par l'électronique au cours des 30 dernières années, tous les appareils mobiles sont toujours équipés de batteries lithium-ion, qui sont entrées sur le marché dès 1991, lorsque le lecteur CD habituel était le summum de l'ingénierie dans la technologie portable.
De nombreuses propriétés utiles de nouveaux échantillons dans l'électronique et les gadgets sont nivelées par le peu de temps d'alimentation de ces appareils à partir d'une batterie mobile. Le savon scientifique et les inventeurs auraient fait un pas en avant depuis longtemps, mais ils sont gardés par «l'ancre» de la batterie.
Jetons un coup d'œil aux technologies qui peuvent transformer le monde de l'électronique à l'avenir.
Tout d'abord, un peu d'histoire
Le plus souvent, les batteries lithium-ion (Li-ion) sont utilisées dans les appareils mobiles (ordinateurs portables, téléphones portables, PDA et autres). Cela est dû à leurs avantages par rapport aux batteries nickel-hydrure métallique (Ni-MH) et nickel-cadmium (Ni-Cd).
Les batteries Li-ion ont de bien meilleurs paramètres. Cependant, il faut garder à l'esprit que les batteries Ni-Cd présentent un avantage important: la capacité à fournir des courants de décharge élevés. Cette propriété n'est pas d'une importance critique lors de l'alimentation d'ordinateurs portables ou de téléphones portables (où la part de Li-ion atteint 80% et leur part augmente de plus en plus), mais il existe de nombreux appareils qui consomment des courants élevés, par exemple toutes sortes d'outils électriques, rasoirs électriques, etc. P. Jusqu'à présent, ces appareils étaient presque exclusivement du domaine des batteries Ni-Cd. Cependant, à l'heure actuelle, notamment dans le cadre de la limitation de l'utilisation du cadmium conformément à la directive RoHS, les recherches sur la création de batteries sans cadmium à fort courant de décharge se sont intensifiées.
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Les cellules primaires («batteries») à anode en lithium sont apparues au début des années 70 du 20e siècle et ont rapidement trouvé une application en raison de leur énergie spécifique élevée et d'autres avantages. Ainsi, le désir de longue date de créer une source de courant chimique avec l'agent réducteur le plus actif, un métal alcalin, a été réalisé, ce qui a permis d'augmenter considérablement à la fois la tension de fonctionnement de la batterie et son énergie spécifique. Si le développement de cellules primaires à anode au lithium a été couronné de succès relativement rapide et que ces cellules ont fermement pris leur place en tant que sources d'énergie pour les équipements portables, la création de batteries au lithium s'est heurtée à des difficultés fondamentales, qu'il a fallu plus de 20 ans pour surmonter.
Après de nombreux tests tout au long des années 1980, il s'est avéré que le problème des batteries au lithium était tourné autour des électrodes au lithium. Plus précisément, autour de l'activité du lithium: les processus qui se sont déroulés pendant le fonctionnement ont finalement conduit à une réaction violente, appelée «ventilation avec émission d'une flamme». En 1991, un grand nombre de batteries au lithium ont été rappelées dans les usines de fabrication, qui ont été utilisées pour la première fois comme source d'énergie pour les téléphones portables. La raison - lors d'une conversation, lorsque la consommation de courant est maximale, une flamme a été émise par la batterie, brûlant le visage de l'utilisateur du téléphone portable.
En raison de l'instabilité inhérente au lithium métallique, en particulier lors de la charge, la recherche s'est déplacée vers le domaine de la création d'une batterie sans utiliser de Li, mais en utilisant ses ions. Bien que les batteries lithium-ion fournissent une densité d'énergie légèrement inférieure à celle des batteries au lithium, les batteries Li-ion sont sûres lorsqu'elles sont fournies avec les conditions de charge et de décharge appropriées. Cependant, ils ne sont pas à l'abri des explosions.
Dans ce sens aussi, alors que tout essaie de se développer et de ne pas s'arrêter. Par exemple, des scientifiques de l'Université technologique de Nanyang (Singapour) ont mis au point un nouveau type de batterie lithium-ion aux performances record. Premièrement, il se recharge en 2 minutes à 70% de sa capacité maximale. Deuxièmement, la batterie fonctionne presque sans dégradation depuis plus de 20 ans.
À quoi pouvons-nous nous attendre ensuite?
Sodium
Selon de nombreux chercheurs, c'est ce métal alcalin qui devrait remplacer le lithium coûteux et rare, qui, de plus, est chimiquement actif et dangereux pour le feu. Le principe de fonctionnement des batteries au sodium est similaire à celui du lithium - elles utilisent des ions métalliques pour transférer la charge.
Pendant des années, les scientifiques de divers laboratoires et instituts ont été aux prises avec les inconvénients de la technologie du sodium, tels que la charge lente et les faibles courants. Certains d'entre eux ont réussi à résoudre le problème. Par exemple, les échantillons de pré-production de batteries BroadBit se chargent en cinq minutes et ont une capacité de une fois et demie à deux fois la capacité. Après avoir reçu plusieurs récompenses en Europe, telles que le prix du radar de l'innovation, le prix Eureka Innovest et plusieurs autres, l'entreprise est passée à la certification, à la construction d'usine et à l'obtention de brevets.
Graphène
Le graphène est un réseau cristallin plat d'atomes de carbone d'un atome d'épaisseur. Grâce à son immense surface dans un volume compact, capable de stocker des charges, le graphène est une solution idéale pour créer des supercondensateurs compacts.
Il existe déjà des modèles expérimentaux d'une capacité allant jusqu'à 10 000 Farads! Un tel supercondensateur a été créé par Sunvault Energy en coopération avec Edison Power. Les développeurs affirment qu'à l'avenir ils présenteront un modèle dont l'énergie suffira à alimenter toute la maison.
De tels supercondensateurs présentent de nombreux avantages: la possibilité d'une charge quasi instantanée, le respect de l'environnement, la sécurité, la compacité et également un faible coût. Grâce à la nouvelle technologie de production de graphène, proche de l'impression sur une imprimante 3D, Sunvault promet un coût des batteries presque dix fois inférieur à celui des technologies lithium-ion. Cependant, la production industrielle est encore loin.
Sanvault a également des concurrents. Un groupe de scientifiques de l'Université de Swinburn, en Australie, a également présenté un supercondensateur en graphène, d'une capacité comparable à celle des batteries lithium-ion. Il peut être chargé en quelques secondes. De plus, il est flexible, ce qui lui permettra d'être utilisé dans des appareils de différents facteurs de forme, et même dans des vêtements intelligents.
Batteries atomiques
Les batteries nucléaires sont encore très chères. Dans un proche avenir, ils ne pourront pas rivaliser avec les batteries lithium-ion habituelles, mais nous ne pouvons manquer de les mentionner, car les sources qui produisent de l'énergie en continu depuis 50 ans sont beaucoup plus intéressantes que les batteries rechargeables.
Leur principe de fonctionnement, dans un sens, est similaire au fonctionnement des cellules solaires, mais au lieu du soleil, la source d'énergie en eux est des isotopes avec un rayonnement bêta, qui est ensuite absorbé par des éléments semi-conducteurs.
Contrairement au rayonnement gamma, le rayonnement bêta est pratiquement inoffensif. C'est un flux de particules chargées et est facilement protégé par de fines couches de matériaux spéciaux. Il est également activement absorbé par l'air.
Aujourd'hui, le développement de telles batteries est réalisé dans de nombreux instituts. En Russie, NUST MISIS, MIPT et NPO Luch ont annoncé leur travail conjoint dans ce sens. Auparavant, un projet similaire avait été lancé par l'Université polytechnique de Tomsk. Dans les deux projets, la substance principale est le nickel-63, obtenu par irradiation neutronique de l'isotope du nickel-62 dans un réacteur nucléaire avec un traitement radiochimique supplémentaire et une séparation dans des centrifugeuses à gaz. Le premier prototype de la batterie devrait être prêt en 2017.
Cependant, ces alimentations bêta-voltaïques sont de faible puissance et extrêmement coûteuses. Dans le cas d'un développement russe, le coût estimé d'une source d'énergie miniature peut atteindre 4,5 millions de roubles.
Alimentation atomique à base de tritium NanoTritium de City Labs.
Nickel-63 a également des concurrents. Par exemple, l'Université du Missouri expérimente le strontium-90 depuis longtemps, et des batteries bêta-voltaïques miniatures à base de tritium peuvent être trouvées dans le commerce. À un prix de l'ordre du millier de dollars, ils sont capables d'alimenter divers stimulateurs cardiaques, capteurs ou de compenser l'autodécharge des batteries lithium-ion.
Porte-clés lumineux au tritium.
Les experts sont calmes pour l'instant
Malgré l'approche de la production de masse des premières batteries au sodium et des travaux actifs sur les alimentations en graphène, les experts de l'industrie ne prévoient aucune révolution pour les prochaines années.
La société Liteko, qui opère sous l'aile de Rusnano et produit des batteries lithium-ion en Russie, estime qu'il n'y a pas encore de raisons pour un ralentissement de la croissance du marché. «La demande constante de batteries lithium-ion est principalement due à leur forte énergie spécifique (stockée par unité de masse ou de volume). Selon ce paramètre, ils n'ont pas de concurrents parmi les sources d'énergie chimiques rechargeables produites en série pour le moment », commente la société.
Cependant, en cas de succès commercial des mêmes batteries au sodium BroadBit, le marché peut reformater en quelques années. À moins que les propriétaires et les actionnaires ne veuillent gagner de l'argent supplémentaire sur la nouvelle technologie.