Les batteries à base d'air
Lithium-air
Dans une batterie métal-air, le poids et le
coût sont diminués en raison de l’absence de cathode intégrée. Dans ce type de
batterie, la cathode est l´oxygène qui arrive de l´atmosphère via une
membrane (Exemple des prothèses auditives). Le principe exploite l'énergie dégagée
par l'oxydation d'un métal. Le résultat du procédé annonce un rapport énergie/volume
jusqu’à 11 500 Wh par kilo.
Le couple lithium-dioxygène offre une densité énergétique
très élevée. Actuellement non commercialisé en raison d’une corrosion élevée, nécessité de
filtres (exige un air très pur) et faible puissance spécifique (200 W/kg - 500 W/L). Etudié actuellement
en laboratoire mais avec des résultats très prometteurs.
Argonne Battery Labs (US) travaille actuellement sur une
batterie Lithium-air qui pourrait donner une autonomie d’un peu plus de 805
kilomètres.
Principe de fonctionnement
L’entreprise américaine Fluidic
Energy travaille également sur la mise au point de batteries métal-air dont
le potentiel énergétique serait onze fois supérieur aux accumulateurs actuels
et trois fois moins chères que leurs congénères lithium-ion. Sa technologie
permettra à terme aux véhicules électriques de disposer d’une autonomie
comprise entre 650 et 800 kilomètres.
L’institut technologique du Massachusetts (MIT), en
partenariat avec des industriels tels qu’IBM et Tesla Motors, et avec le
soutien des autorités américaines, tentent de développer des piles lithium-air
rechargeables capables d’atteindre une densité d’énergie dix fois supérieure à
celle des technologies existantes (elles fonctionneront dix fois plus longtemps).
Avantages : Autonomie
théorique, puissance énergétique, plus de cathode, plus de rapidité.
Inconvénients : création
de cristaux pendant la recharge réduit la durée de vie de la batterie, nécessité
d’un air pur et filtré, l’instabilité, la faible puissance électrique et la
stabilité dans le temps. Il faut améliorer notamment l’électrolyte.
Silicium-air
Pile
en silicium nano-poreux miniature
La plupart des puces informatiques sont fabriqués
à partir de silicium. Le laboratoire LEPMI, l'entreprise SAGEM et le CEA Liten collaborent avec un contrat européen MICROPAC pour optimser une pile à combustible silicium-air. La photo ci-dessus présente un morceau de silicium (7mm x 7 mm) d'épaisseur 500 micromètres. La partie active représente la zone centrale noire de dimension 3 mm x 3 mm. Le reste de la surface, dorée, sert de collecteur de courant. Ce dispositif alimenté par de l'hydrogène sur une de ses faces et de l'air sur l'autre génère une tension électrique qui se traduit par le débit d'un courant lorsque le circuit électrique est fermé par une charge.
Des chercheurs du laboratoire Technion en Israël ont réussi
à développer une pile Silicium-Air capable de fonctionner sans interruption
pendant des milliers d’heures. Ce développement a été publié dans le journal d’électrochimie
le plus prestigieux : « Electrochemistry Communications ». Le laboratoire Technion
a déposé un brevet sur cette avancée. La recherche est financée par un fond de
recherche « Binational Research Fund » avec la participation des
doctorants Gil Cohen et David Starovetsky du Technion, du professeur Digby
Macdonald de l'Université de Pennsylvanie aux Etats-Unis et
la collaboration du professeur Rika Hagiwara de l'Université de Kyoto (Japon).
L’équipe de recherche a effectué la
plupart des travaux dans le laboratoire de Haïfa et utilise un liquide ionique qui
ne s’évapore pas facilement (électrolytes liquides ou de sels qui forment des liquides stables). Dans les
électrolytes, le silicium fortement dopé (semi-conducteur) est activé et agit
comme un conducteur très métallisé. Pas de corrosion ou d'évaporation avec le
liquide ionique, et contrairement aux batteries classiques, la batterie de
silicium-air n'absorbe pas l'eau de l'extérieur.
Avantages : le silicium est
un matériau abondant, non toxique (sans danger), plus stable, très léger, taille
plus compacte (un centimètre carré au lieu de quelques centimètres carrés), une
forte capacité énergétique (quatre électrons sont transférés lors de
l’oxydation d’un unique atome de silicium), meilleure durée de vie.
Inconvénients : solution
non industrialisée, malgré une grande
autonomie la pile est non rechargeable actuellement, retour d’expérience limitée.
Ce type de piles peut être stocké sans limitation de durée,
sera intéressant pour la médecine (par exemple dans les pompes pour diabétiques
ou les aides auditives) et en électronique, en tant que composant intégré à une
structure entièrement composée de silicium. Cette pile innovante peut fournir
l’énergie nécessaire pour des milliers d’heures de fonctionnement sans besoin
de remplacement. Selon le chercheur Ein-Eli, la puissance
de sortie peut être augmentée de façon significative, et dans trois ans, le
silicium-air pourrait être fait rechargeable. L’utilisation pourrait s’adapter
dans n'importe quel appareil électronique portatif ou être intégrée à énergie
solaire ou éolienne ainsi que l'énergie électrique.
La
pile à combustible, le véritable avenir de l’automobile
La solution silicium-air semble prometteuse.
Sera-t-elle capable de surpasser les solutions métal-air ? Affaire à
suivre…
