batterie lithium-ion

Un livre dont les pages sont maintenues par des loquets : on ne peut les tourner que si l'on sait cliquer sur la tranche. C'est à peu près ainsi que fonctionne le métamatériau mécanique dont il est question. Chaque cellule est une petite masse à l'intérieur d'une plus grande, reliée à celle-ci par une poutre élastique. La poutre peut occuper deux positions stables, comme un interrupteur.

Une pile de pages que l'on a feuilletée de nombreuses fois s'en souvient : certaines feuilles se couchent à plat, d'autres se hérissent, et par endroits, des plis subsistent. C'est à peu près ce qui se passe dans les matériaux en couches lorsque des ions y pénètrent.

On peut faire tourner la lumière sur commande, comme l'eau dans un tuyau — si l'on sait où appuyer. C'est exactement ce que font les circuits électro-optiques : ils changent la direction du faisceau à l'intérieur de la puce à l'aide d'un champ électrique.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

Dans chaque batterie ou supercondensateur, il y a un acteur discret : la colle polymère. Elle lie les particules du matériau actif et aide à les maintenir sur le collecteur de courant. Autrefois, on la considérait comme une masse inerte : elle est là, tant qu'elle ne gêne pas. Mais dans cette étude, la colle passe au premier plan.

Les batteries de véhicules électriques en fin de vie se comportent comme des musiciens capricieux : l'une joue plus fort, l'autre plus doucement, une troisième se désaccorde sans raison. Les assembler au hasard pour en faire une batterie, c'est obtenir une cacophonie : certaines cellules se surchargent, d'autres restent inactives, et le système tombe rapidement en panne.

Un électrolyte solide n'est pas qu'un simple réseau cristallin, c'est une véritable métropole animée pour les ions. Chaque acte de conduction ressemble à un trajet à travers la ville : il y a de larges autoroutes à faible barrière énergétique, des embouteillages inextricables dans les goulots d'étranglement et des détours piégeux où un ion peut rester coincé.

Une batterie au lithium ressemble à une petite ville : les ions lithium sont les habitants qui se déplacent entre les quartiers-électrodes, créant ainsi un courant.

Le vieillissement d'une batterie ressemble à la fatigue des métaux : la fissure mûrit à l'intérieur bien avant que la pièce ne casse. D'habitude, on découvre le problème quand la capacité chute sous 80 % — mais à ce moment-là, les dommages sont déjà irréversibles.

Une batterie ordinaire de téléphone respire – mais pas avec de l'air, avec son contact. À l'intérieur d'un solide, là où il n'y a pas de liquides, le lithium se presse contre l'électrolyte (la substance qui conduit les ions) lors de la charge, puis s'en écarte lors de la décharge, comme un poumon à l'inspiration et à l'expiration.

Une batterie au lithium ressemble à un sandwich : deux tranches de pain sont les électrodes, et entre elles, la garniture est l'électrolyte, à travers lequel les ions lithium font des allers-retours. Dans les batteries classiques, la garniture est liquide, comme une sauce, et peut fuir ou s'enflammer.

Une clé USB classique stocke des bits dans des pièges à électrons, mais on ne peut les lire qu'à travers un fil et un amplificateur séparés. Dans cette nouvelle avancée, un même morceau de tellure semi-métallique joue à la fois le rôle de stockage et de lampe.

Une anode classique en graphite dans une batterie sodium ressemble à un garage exigu où un gros camion a du mal à se garer. Le sodium est plus gros que le lithium et s'insère difficilement entre les couches de graphite, ce qui fait chuter rapidement la capacité des batteries.

Un filament métallique aussi fin qu'un cheveu traverse la céramique comme une racine qui fissure l'asphalte. Dans les batteries à électrolyte solide, ces filaments sont appelés dendrites, et ils apparaissent lorsque le courant de charge dépasse un seuil critique.

Dans toute batterie, un liquide électrolyte circule, et la manière dont les ions s'y bousculent détermine la quantité d'énergie que la batterie peut fournir et sa durée de vie. Autrefois, pour observer cette foule, il fallait soit mener de longues expériences, soit lancer des calculs ultra-précis qui dévorent des semaines de temps de calcul.

Une batterie solaire, c'est comme un cœur : si on la force à battre à un rythme anormal, elle se fatigue vite. En général, on teste les cellules en appliquant une tension inverse, mais dans la vie réelle, l'ombre d'une feuille ou d'un oiseau oblige les cellules voisines à laisser passer un courant qui n'est pas le leur.

Un faisceau laser régulier, c'est comme une corde tendue : si elle vibre ne serait-ce qu'un peu, la musique devient cacophonie. Dans un ordinateur quantique, le laser maintient les atomes dans un piège, et toute vibration de fréquence casse le calcul.

Une batterie au lithium ressemble à une maison avec un débarras : pendant la charge, le lithium entre à l'intérieur, pendant la décharge, il sort. Mais si le débarras est encombré, une partie du lithium reste à l'intérieur pour toujours. La quantité de lithium qui revient dépend du métal dont sont faits les murs du débarras.

À l'intérieur de chaque minuscule particule qui compose la cathode d'une batterie sodium-ion, le sodium est réparti de manière inégale — un peu comme si le sucre dans le thé formait des grumeaux. Cela réduit la capacité et la durée de vie de la batterie.

Les batteries ont généralement deux bornes : une anode et une cathode. Les ingénieurs tentent de supprimer l'anode des batteries à semi-conducteurs (avec un électrolyte solide) pour les rendre plus légères et plus capacitaires. Lors de la charge, le métal doit se déposer en couche sur le contact, et lors de la décharge, disparaître complètement.

La batterie de votre téléphone ou de votre voiture électrique est une véritable usine chimique miniature. À l'intérieur, des ions lithium circulent entre deux électrodes, et à la frontière avec le liquide électrolyte se forme un film mince – c'est lui qui détermine la durée de vie de la batterie.

Les accumulateurs modernes à électrolyte liquide peuvent fuir ou prendre feu. Les électrolytes polymères, solides comme du plastique, règlent ce problème, mais les ions s'y déplacent plus lentement, et la batterie perd de la puissance.

Une cellule solaire ordinaire fait une seule chose : quand le soleil brille, le courant circule. Ici, le soleil brille, mais le courant circule différemment selon le côté où l'on approche l'aimant.

Le manganèse, ce sont les briques du mur, et le zinc, un invité qui arrive et se faufile entre elles. Si l'invité s'assoit mal, il pousse une brique hors de l'assemblage.

Un vieux t-shirt dissous dans une solution alcaline donne un gel, qui devient le cœur d'un accumulateur d'énergie. Le second composant est fabriqué à partir de chitosane, une substance extraite des carapaces de crevettes. Pas de métaux : uniquement du coton recyclé et des fruits de mer.

Un matériau ordinaire se brise en silence. D'abord, des ponts invisibles se rompent à l'intérieur, et ce n'est qu'ensuite qu'apparaît une fissure visible à l'œil nu. Des ingénieurs de l'Université Carnegie-Mellon ont appris au matériau à « parler » de ces dommages cachés. Ils ont imprimé en 3D un treillis rappelant un nid d'abeilles, mais avec un motif plus complexe.

Le sodium est le voisin du lithium dans le tableau périodique, mais il est des centaines de fois plus abondant dans la croûte terrestre et bien moins cher. Les batteries au sodium pourraient donc remplacer les batteries au lithium dans les véhicules électriques et les stockages d'énergie.

Le noyau atomique vit généralement dans un seul état énergétique, comme une balle posée sur le sol. Mais le thorium-229 fait figure d'exception rare : son noyau peut rester coincé sur une minuscule marche au-dessus du sol — dans ce qu'on appelle l'état isomère.

À l'intérieur d'une batterie, comme dans un gâteau à plusieurs étages, différentes couches solides se côtoient. Leur point de rencontre — l'interface — se comporte de manière capricieuse : les contraintes s'y concentrent et, avec le temps, la batterie vieillit. Pour comprendre ces processus, il faut des modèles informatiques qui voient chaque atome.

Dans une batterie lithium-soufre, le soufre a tendance à se dissoudre et à migrer vers l'autre électrode — la batterie perd sa charge en quelques dizaines de cycles. Pour retenir cette fugitive, on place un film séparateur entre les électrodes. Un film de polyéthylène ordinaire laisse passer les ions lithium, mais les molécules de soufre passent aussi.

Un catalyseur est une substance qui accélère une réaction chimique sans être consommée. Le meilleur catalyseur est celui où chaque atome de métal compte : plus les particules sont fines, plus il y a d'atomes en surface et plus le matériau est actif.

Une tirelire dans laquelle les pièces tombent facilement, mais qu'il faut casser pour les récupérer. C'est un peu ce qui se passe avec le nouveau matériau pour batteries sodium-ion. Il accepte volontiers les ions sodium lors de la charge, mais lors de la décharge, il ne restitue presque rien.

Dans le nouveau processeur Helios, 98 ions de baryum se déplacent sur un circuit fermé dans un piège électromagnétique, comme des chevaux de manège. Cette architecture — un registre en anneau — permet à chaque ion d'échanger directement de l'information quantique avec n'importe quel autre, rendant le système flexible et évolutif.