Marre de devoir sans cesse recharger votre téléphone? D’avoir constamment un chargeur dans votre sac? Une équipe de chercheurs de l’Université Monach en Australie annonce la commercialisation d’une batterie ayant une autonomie de 5 jours. Le brevet a été déposé.
Comment fonctionne cette batterie ?
Avant de rentrer dans les détails, explicitons certaines bases. Dans notre environnement, et dans notre corps, existent des éléments chargés, appelés les ions. Ces ions peuvent être chargés positivement ou négativement. Les ions positifs, appelés cations, vont être attirés par les éléments chargés négativement, tandis que les ions négatifs, appelés anions, vont être attirés par les éléments chargés positivement. Tous les éléments chimiques ont un ion qui leur correspond, on appelle ça sa forme “ionique”. Par exemple, le calcium est noté Ca. Il a une forme ionique appelée “ion calcium” et noté Ca2+.
Avant les batteries Lithium-Soufre, il y a eu les batteries Lithium-Ion
Les premières batteries en lithium qui ont montré une efficacité [<-- Une efficacité de quoi? “Produire de l’énergie”?. Je remplacerai peut être “efficacité” par “capacité]], sont les batteries Lithium-Ions. Elles ont valu un Prix Nobel de Chimie en Octobre 2019 à John Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino et Niklas Elmehed.
“Téléphones portables, ordinateurs, véhicules électriques, depuis leur première commercialisation en 1991, les batteries lithium-ion sont partout et c’est grâce à eux !
Le principe est le suivant. Lors de la charge, les ions lithium migrent de la cathode vers l’anode et s’accumulent. Lors du déchargement de la batterie, les ions lithium retournent dans la cathode. C’est ce mouvement d’électron qui génère le courant électrique.” - Les Lauréats des Prix Nobels, Journal “Je Science donc J’écris” n°14, Octobre 2019.
Les batteries Lithium-Soufre, une meilleure solidité
Lors de la liaison ionique, c’est-à-dire la liaison entre deux ions (un cation et un anion), plus un cation va lier d’anions ou l’inverse, plus la liaison sera forte. Dans le cas de la batterie Lithium-Ion, chaque atome de lithium ne fixe en moyenne qu’un ion. Cette batterie n’était de ce fait pas très solide, dans le sens ou les liaisons n’étaient pas assez nombreuses. C’est pourquoi des chercheurs ont découvert en 2017, et mis sur le marché des batteries Lithium-Soufre. Dans ce nouveau procédé, la liaison des ions est améliorée. En effet, chaque ion lithium lie 2 ions de soufre.
Comment fonctionnent les batteries Lithium-Soufre ?
Dans le cas des batteries, on ne s’arrête pas à l’échelle de l’ion. En effet, la batterie est constituée de couches complètes de lithium et de soufre. Ces couches sont appelées électrodes, et sont solides. Les électrodes positives, constituées de cations (ici lithium), sont appelées anodes. Les électrodes négatives, constituées d’anions (ici soufre) sont appelées cathodes. Les anodes attirent les anions et les cathodes attirent les cations. Ces deux électrodes produisent des réactions dites “électrochimiques”. L’anode donne lieu à une émission d’électrons (oxydation) tandis que la cathode donne lieu à une absorption d’électrons (réduction). Les électrons sont des éléments négatifs qui se trouvent sur les couches superficielles de tous les atomes.
La cathode (bleue sur le schéma) et l’anode (rouge sur le schéma) sont plongées dans un liquide appelé électrolyte. Ce liquide va permettre aux ions de circuler d’une électrode à l’autre (+ vers le - ou - vers le +). Quand on charge la batterie de notre téléphone, les ions vont passer d’une électrode à l’autre en traversant l’électrolyte qui se trouve entre les deux. Quand un téléphone se décharge, le sens de déplacement des ions s’inverse.
Cependant, ce dispositif comporte des failles, c’est pourquoi, en 2019, une amélioration de ce dispositif Lithium-Soufre a été proposée et brevetée par des chercheurs de l’Université de Monach,. Cette amélioration de la batterie augmente l’autonomie du téléphone de 5 jours.
Mais qu’est-ce qui a changé dans la batterie Lithium-Soufre pour qu’elle puisse faire tenir un smartphone si longtemps ?
Le problème avec les batteries lithium-soufre, c’est que l’électrolyte se dégrade petit à petit. Cela entraîne des projections métalliques, qui dans les cas extrêmes, peuvent faire exploser la batterie. Cette dégradation est due à une fissuration progressive de la cathode de Soufre à chaque cycle de recharge. En supposant que la présence de fissuration progressive vienne d’un manque de solidité, les chercheurs se sont penchés sur les liaisons entre les particules de la couche de Soufre. Ils ont utilisé des ponts de polymères pour solidifier les couches de Soufre. Les polymères sont des chaînes constitués de plusieurs grosses molécules (appelées “macromolécules”. Ces ponts vont venir solidifier les liaisons entre les différentes particules qui forment la couche de soufre.
Pour conclure, les chercheurs ont trouvé comment prolonger la durée d’autonomie des batteries de smartphone en renforçant les liaisons qui forment la couche de Soufre, et donc la solidité du dispositif. En plus d’être utilisées pour les téléphones, ces batteries seraient utilisables pour les voitures électriques et de rouler 1 000 km sans la recharger !
Article paru dans Je Science donc J'écris n°20 - Avril 2020
