batterie au sodium

Une goutte d'eau sur un film de fluoropolymère se comporte d'abord comme prévu : elle repose et s'évapore. Mais dès qu'elle rétrécit jusqu'au quart de sa taille initiale, elle décolle et parcourt en quelques fractions de seconde une distance plusieurs fois supérieure à son propre rayon.

Un lac en période de sécheresse ne s'assèche pas d'un coup. D'abord, des îlots de terre émergent à la surface, ils s'étendent, fusionnent, et ce n'est qu'ensuite que l'eau quitte le fond mis à nu. De la même manière, un cristal de mirabilite se comporte lorsqu'il perd de l'eau : des taches circulaires de sel anhydre apparaissent à sa surface, s'étendent latéralement, puis commencent à s'enfoncer.

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.

Si vous éteignez la cuisinière, l'eau cesse de bouillir presque instantanément. Dans le monde de la catalyse, on s'attendait à un scénario similaire : on arrête la réaction, et toutes les particules intermédiaires disparaissent aussitôt. Mais de récentes observations sur de la poudre de platine ont révélé tout autre chose.

Le sel de table est l'un des produits les plus étudiés en médecine. Pendant des décennies, les étudiants ont appris le modèle d'Arthur Guyton : on mange salé — le sang se dilue, le volume augmente temporairement, les reins éliminent aussitôt l'excès d'eau, et tout revient à la normale. Un schéma élégant, semblable au fonctionnement d'un flotteur dans une chasse d'eau.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

Les horloges les plus précises actuelles mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons dans les atomes. Mais leur marche peut être déréglée, comme un ressort de montre mécanique peut l'être par des secousses. Les physiciens ont trouvé un balancier plus fiable : le noyau atomique.

Trois cordes de guitare sur un même instrument, mais les chevilles de chacune tournent avec une force différente : l'une cède immédiatement, l'autre tourne difficilement, et la troisième se bloque carrément.

Une batterie lithium-ion ressemble à un immeuble de plusieurs étages, où des ions lithium habitent à chaque étage. Lorsqu'on charge la batterie, les ions déménagent d'un étage à l'autre, et tout l'immeuble chauffe un peu. Normalement, cette chaleur se dissipe uniformément, comme un plancher chauffant.

Un memristor est une résistance à mémoire : après coupure du courant, il conserve sa résistance. À l'intérieur, une fine couche d'oxyde métallique est prise en sandwich entre deux électrodes métalliques.

L'hydrogène est un carburant idéal : lorsqu'on l'utilise, il ne produit que de l'eau, et non du dioxyde de carbone. Le problème, c'est que l'hydrogène est le gaz le plus léger qui soit ; ses molécules s'infiltrent à travers n'importe quel contenant.

Un panneau solaire capte généralement la lumière par une seule face, avec un support métallique plein à l'arrière. Ici, la face arrière est faite d'un matériau conducteur transparent — de l'oxyde d'indium et d'étain. La lumière non absorbée par le panneau traverse celui-ci.

Le niobium est un métal qui, lorsqu'il est refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, conduit le courant sans résistance. Dans les laboratoires, on le dépose en fines pistes sur un substrat, comme on étale de la crème sur un gâteau.

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.

La membrane pour l'électrolyse de l'eau ressemble à une éponge imbibée d'eau. À l'intérieur, les ions hydroxyde — des particules qui transportent la charge électrique — doivent pouvoir se déplacer librement.

Un électrolyte solide, c'est comme une éponge pour les ions lithium. Dans une batterie au lithium classique, les ions nagent dans un liquide, comme des poissons dans un aquarium. Dans une batterie à électrolyte solide, ils doivent se faufiler à travers le réseau cristallin, comme dans des couloirs étroits.

Deux téléphones avec la même batterie : l'un se recharge dans une cave avec un signal faible — et le processus est plus lent. Le pourcentage de charge joue ici le rôle de l'aiguille d'une horloge. Les physiciens ont transposé cette logique dans le monde quantique. Leur horloge est une batterie microscopique qui accumule de l'énergie.

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.

Un ordinateur quantique, c'est comme un orchestre où chaque musicien doit entrer en mesure. Le moindre froissement dans la salle déconcentre le violoniste, et la mélodie s'effondre.

Le son à la surface d'un cristal, c'est comme des rides sur l'eau, mais qui courent sur un solide. Ces rides s'appellent des ondes acoustiques de surface : elles se déplacent cent mille fois plus lentement que la lumière, ce qui permet de les comprimer en de très courts segments et de les loger sur une puce minuscule.

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 poudre de fer, chauffée entre 650 et 800 degrés, absorbe l'hydrogène comme une éponge sèche absorbe l'eau. Mais après quelques cycles, les particules s'agglutinent en une masse compacte, et l'éponge cesse de fonctionner. L'ajout de tungstène change la donne : à chaque chauffe, la poudre se fouette elle-même, restant meuble et poreuse.

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.

La lumière du soleil tombe sur un toit, et dans un film mince naissent des électrons. Ils doivent avoir le temps de courir jusqu'aux fils avant de refroidir et de perdre leur énergie.

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.

Dans une batterie, le lithium se comporte parfois comme du lierre sur une façade : au lieu de former une couche uniforme, il émet de fines excroissances pointues. Ces aiguilles peuvent percer le séparateur à l'intérieur de l'accumulateur et provoquer un court-circuit. C'est pourquoi les ingénieurs cherchent des moyens d'obliger le lithium à croître calmement.

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.

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.

Le diamant n'est pas qu'un simple bijou. Ce cristal peut conduire l'électricité lorsque des porteurs de charge libres y apparaissent : des électrons et des trous. Mais à quelle vitesse se déplacent-ils ? Dans les articles scientifiques, les chiffres varient d'un facteur dix. Un laboratoire rapporte une vitesse de 1000 cm²/(V·s), un autre de 4000.

On plonge une feuille de graphène dans une solution de sulfate de sodium – un sel ordinaire, proche du sel de table. Près de la surface, l'eau cesse d'être homogène : elle s'organise en couches, comme une pile de crêpes. Entre ces couches et à l'intérieur, se répartissent les ions – les particules chargées issues de la dissociation du sel.

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.

Un morceau de chrome exposé à l'air se couvre en une minute d'une armure invisible : un film d'oxyde. Ce film protège le métal de la rouille, mais pour une batterie, c'est une catastrophe : le film ne laisse pas passer les ions de chrome, et le courant ne circule pas. Les scientifiques ont mélangé cinq métaux — chrome, bismuth, cuivre, étain et nickel.

Un faisceau d'ions lourds dans un accélérateur ressemble à une foule qui se pousse des coudes : plus il y a de monde, plus la foule s'élargit. Les particules chargées se repoussent, et au-delà de quelques microampères, le faisceau s'étale et perd sa forme.