Pourquoi les batteries sucent et comment la technologie peut les réparer

pourquoi les piles sont nulles et comment la technologie peut les réparerMartin Abegglen / Flickr La demande record de chargeurs externes est une manifestation du désir de gadgets qui peuvent durer des jours sans attaches, et quel est le désir fort: en 2012, une enquête JD Power and Associates a révélé que la durée de vie de la batterie, plus que tout autre a contribué au mécontentement des acheteurs de smartphones. Il est peu probable que cela ait changé aujourd'hui, alors que le smartphone moyen ne peut naviguer sur le Web que pendant environ 8 heures avant de mourir… en Wi-Fi.

Au début, il semble que la faute incombe aux fabricants de smartphones. Vous pouvez supposer que les batteries qui alimentent les produits phares de Samsung, LG, Motorola, etc. sont choisies par les ingénieurs respectifs. La vérité, cependant, est plus nuancée: les batteries lithium-ion de presque tous les appareils n'ont pas radicalement changé depuis leur sortie il y a 23 ans. Cette longue stagnation a obligé les entreprises à faire des compromis sur la taille des smartphones, la durée de vie de la batterie ou les deux. Soit un appareil comme un téléphone peut être mince, soit une autonomie de batterie décente.

Alors, comment en sommes-nous arrivés à ce point, exactement, et où allons-nous? Des conceptions de batteries améliorées se profilent à l'horizon, mais arriveront-elles un jour sur le marché? Les nouvelles technologies de batterie ont-elles une chance réelle de mettre fin à notre dépendance au lithium-ion, et d'autres solutions aideront-elles à rendre les batteries d'aujourd'hui supportables entre-temps? Nous nous sommes efforcés de le découvrir.

Comment fonctionnent les batteries

Les premières batteries lithium-ion rechargeables étaient explosives. Au sens propre. Sony et la société chimique Asashi Kasei l'ont appris à leurs dépens lorsque, en 1991, la première batterie au lithium à base de métal de l'entreprise a brûlé un téléphone cellulaire et infligé des brûlures au visage d'un homme.

Les batteries lithium-ion de presque tous les appareils d'aujourd'hui n'ont pas radicalement changé depuis leur sortie il y a 23 ans.

Cela n'a cependant pas empêché les cellules lithium-ion de devenir la principale source d'énergie des appareils portables. La raison? Ils sont beaucoup plus denses en énergie que les alternatives, pour un, mais aussi relativement sans entretien. Contrairement aux autres batteries, elles ne nécessitent pas de décharge, n'ont pas de mémoire, ne subissent pas d'accumulation de sulfatation destructrice de cellules et contiennent moins de métaux toxiques que la plupart des autres batteries. Les batteries lithium-ion sont, en termes simples, l'une des batteries les plus polyvalentes produites en série.

Mais ils sont limités par d'autres moyens, principalement la densité énergétique. La raison, a déclaré à CNET le vice-président du marketing chez Leyden Energy Noam Kedem dans une interview, est que «[v] la densité d'énergie olumétrique diminue à mesure que [les cellules au lithium-ion] deviennent plus minces parce que l'emballage prend un pourcentage plus élevé du volume d'énergie. Qu'est-ce que cela signifie pour le consommateur moyen? Si vous voulez une grande autonomie de la batterie, vous devrez faire des compromis sur la taille.

Prenons cet exemple: le Nokia Lumia 1520 peut durer jusqu'à 107 heures sur une charge, mais mesure 6,4 pouces de diamètre - la taille d'un phablet. Le Huawei Ascend Mate2 4G de 6,34 pouces dure à peu près la même durée. Le seul téléphone plus petit qui tient sa place dans le royaume des géants est le Xperia Z3 Compact, qui parvient à dépenser 101 heures lors d'une bonne journée. Mais pour accomplir cet exploit, les concepteurs de Sony ont opté pour un écran 720p, une spécification périphérique pour un smartphone au prix de 630 $.

Sony Xperia Z3 Compact Sony Xperia Z3 Compact

Ce qui est vraiment décevant, c'est que même ces grosses batteries ne dureront pas très longtemps. Apple évalue la batterie de l'iPhone à 80% de sa capacité pour 50 charges, ce qui, en supposant que vous chargez votre téléphone une fois par nuit, est d'environ un an et demi.

Au-delà de ces contraintes, il y a la question de la sécurité. Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui ne sont peut-être pas aussi dangereuses que les conceptions à base de métal d'antan, mais une force contondante peut toujours les faire court-circuiter, se désintégrer ou libérer des gaz nocifs. Les échecs sont rares, mais les résultats peuvent être dramatiques: il y a deux ans, une batterie percée a provoqué l'explosion d'une Tesla Model S et une vidéo virale illustre ce qui peut arriver lorsque vous frappez une batterie Samsung Galaxy S5 avec un marteau.

Compte tenu de la myriade de problèmes, il n'est pas surprenant que les consommateurs et les fabricants d'appareils souhaitent vivement des alternatives plus petites, plus denses et plus sûres. Le corps de l'enquête sur ce front est prometteur, mais le truc, il s'avère, n'est pas nécessairement la recherche, mais l'adaptation des conceptions pour la production de masse. Réduire les coûts associés à la fabrication et atteindre l'efficacité est souvent la partie la plus difficile de la mise sur le marché de nouvelles batteries.

Les batteries du futur arrivent, lentement

Il y a de meilleures batteries à venir, et certaines proviennent d'idées du passé. Prenons par exemple la recherche de l'Université de Stanford. Les premières conceptions de batteries au lithium contenaient des anodes au lithium, des anodes rapidement jugées inefficaces et dangereuses, mais les scientifiques de Stanford ont récemment réussi à résoudre ces problèmes en isolant le lithium de l'électrolyte avec une couche protectrice spéciale de nanostructures de carbone. Le résultat est un doublement, voire un triplement de la durée de vie de la batterie.

Les batteries fabriquées à partir de sable ont jusqu'à 3 fois la capacité et la durée de vie des batteries traditionnelles.

Une batterie au lithium pur est le successeur putatif des batteries d'aujourd'hui - le chef de file de l'ingénierie du projet Stanford, Yi Cui, affirme que le matériau a le «plus grand» potentiel de tous les matériaux pouvant être utilisés comme anodes. Mais la production est le hic: la conception de l'équipe de Stanford n'a pas encore atteint le seuil d'efficacité requis de l'industrie (99,9%) pour la commercialisation, et même lorsque c'est le cas, la complexité de la fabrication pourrait entraîner un prix élevé - quelque part dans la fourchette de 25000 $. pour une batterie de la taille d'un véhicule, a déclaré le secrétaire à l'Énergie Steven Chu à Phys.org.

C'est pourquoi les scientifiques de l'Université de Californie à Riverside se sont tournés vers le sable. Ils ont collecté des granulés avec un pourcentage élevé de quartz, les ont broyés avec du sel et du magnésium, et les ont finalement chauffés pour éliminer l'oxygène et extraire du silicium pur. Le matériau final a jusqu'à trois fois la capacité et la durée de vie des batteries traditionnelles.

Mais les batteries de sable ne sont pas encore réalisables pour les combinés dans nos poches. Les chercheurs doivent encore découvrir une méthode de production du sable de silicium à grande échelle; la plus grosse batterie qu'ils ont produite à ce jour a la taille d'une petite pièce de monnaie.

Kang Shin et l'étudiant au doctorat Xinyu Zhang Kang Shin et Xinyu Zhang

L'obstacle au marché des nouvelles conceptions est si sévère que les fabricants d'appareils comme Apple, Google et Dyson ont commencé à travailler directement avec les fabricants de batteries pour accélérer le développement. Mais en l'absence de percées importantes, les fabricants de matériel et de logiciels ont développé leurs propres solutions pour répondre à notre désir intense de smartphones, tablettes, voitures électriques et ordinateurs portables plus durables.

L'une des causes de l'épuisement rapide de la batterie est le Wi-Fi - les combinés modernes surveillent en permanence le trafic sans fil à proximité, dépensant beaucoup d'énergie en examinant les paquets et en recherchant des canaux clairs dans des environnements pleins de signaux interférents. Kang Shin, professeur d'informatique et d'ingénierie à l'Université du Michigan, et l'étudiant au doctorat Xinyu Zhang ont proposé une solution, qu'ils appellent E-MiLi (Energy-Minimizing Idle Listening).

E-MiLi économise de l'énergie en ralentissant la puce sans fil interne lorsque le Wi-Fi n'est pas utilisé, ce qui, selon Shin et Zhang, entraîne une économie d'énergie moyenne d'environ 44%. De plus, E-MiLi est compatible avec 92% des appareils mobiles. Mais il y a un hic, comme toujours: il repose sur des routeurs sans fil avec un firmware spécial pour fonctionner.

Haut-parleur alimenté par supercondensateur en bambou Blueshift Helium

Rich Shibley / Tendances numériques

Une autre idée à laquelle les chercheurs réfléchissent est la charge rapide. C'est un terme générique qui englobe tout, des logiciels optimisés aux condensateurs renforcés, mais le concept est simple: des adaptateurs d'alimentation avec des cycles de charge très, très courts. À la mi-2013, un étudiant de 18 ans a présenté un supercondensateur au salon des sciences et de l'ingénierie d'Intel capable de charger une batterie de smartphone en 30 secondes. L'enceinte Blueshift Bamboo, qui fonctionne sur un principe similaire, peut se recharger en quelques minutes et durer six heures.

Certains chargeurs supplémentaires sont beaucoup plus fous. Un smartphone de luxe fabriqué par Tag Heuer possède des couches photovoltaïques qui rechargent sa batterie de la lumière du soleil. Des chercheurs de l'UC San Diego ont créé un «tatouage de batterie» temporaire chargé de sueur. Et les scientifiques de Nokia et de l'Université Queen Mary de Londres travaillent actuellement sur des «nanogénérateurs» conçus pour générer de l'électricité à partir de sons tels que les voix humaines, le trafic et la musique.

Certaines améliorations de la batterie sont déjà en cours

Alors que les nouveaux modèles de batteries poursuivent leur course inexorable mais léthargique vers la commercialisation, les sociétés d'électronique et de logiciels se retrouvent à peu près dans la même position qu'au cours des 23 dernières années: elles doivent contourner les limites d'une technologie dépassée. Certains ont mieux réussi que d'autres à traiter les symptômes - LG a implémenté une conception en couches de lithium-ion dans le G2, par exemple, qui prétendait augmenter la capacité de 16% - mais tant que les causes de faible capacité et de faible longévité ne sont pas résolues, peu de choses changeront.

La triste réalité est que, à l'exception des chargeurs externes et des batteries tierces, il n'y a vraiment pas encore de bonne alternative aux batteries lithium-ion; la plupart des recherches en restent au stade du prototype, les solutions provisoires et secondaires ne sont pas si pratiques - votre prochain smartphone n'est pas vraiment susceptible de porter un panneau solaire, un logiciel Wi-Fi à économie d'énergie ou des nanogénérateurs.

Il n'y a pas de solution miracle aux problèmes du lithium-ion de l'industrie des batteries à l'heure actuelle, mais nous avons vu des percées d'institutions comme l'Université technologique de Nangyang, où les chercheurs ont développé une anode de dioxyde de titane à charge rapide. Le développement d'alternatives s'accélère également. En avril, des scientifiques de la NASA ont autorisé une technologie capable de convertir la chaleur des échappements de voiture en électricité utilisable, et des chercheurs de la société japonaise Fuji Pigment ont fait des pas vers la commercialisation de la technologie aluminium-air, des batteries d'une capacité théorique 40 fois supérieure à celle du lithium-ion. .

Donnez-lui encore quelques années

Bien sûr, les batteries lithium-ion ont leurs avantages: elles sont bon marché, faciles à fabriquer et relativement stables. Mais ils sont aussi énormes et ne durent pas longtemps. Il n'est pas surprenant qu'il y ait une soif d'alternatives, et si aucune n'est encore vraiment là, il y a des raisons d'espérer. De plus en plus de chercheurs s'attaquent au «problème du lithium-ion». Certains modèles de batteries alternatifs sont également en voie de commercialisation. Et quelques-unes des demi-mesures ne sont pas à moitié mauvaises entre-temps - QuickCharge de Qualcomm, une technologie de charge rapide intégrée à certains smartphones, accélère considérablement la charge.

Il est vrai que le glas du lithium-ion n'est pas tout à fait arrivé, mais il est plus proche que jamais. Il n'est pas déraisonnable de projeter que dans cinq ans ou moins, les smartphones qui durent moins de quelques jours avec une seule charge sembleront positivement préhistoriques (sans jeu de mots).