Accus Lithium-Ion de seconde génération : c’est pour bientôt

Depuis les vieilles batteries au Cadmium-Nickel. les accus de nos téléphones portables ont fait bien des progrès. La technologie NiMH a apporté une première importante amélioration ; mais les accus au Lithium-Ion, apparus peu après, les ont rendu obsolètes, du moins pour les appareils nomades. Ils ont sur les accus NiMH des avantages importants : deux à trois fois plus d’énergie stockée (donc une durée d’utilisation fortement augmentée entre deux recharges), un poids très inférieur à volume égal, aucun effet mémoire et une autodécharge beaucoup plus modérée[1]. Ils ont sur les accus NiMH des avantages importants : deux à trois fois plus d’énergie stockée (donc une durée d’utilisation fortement augmentée entre deux recharges), un poids très inférieur à volume égal, aucun effet mémoire et une autodécharge beaucoup plus modérée[2].

Depuis 1991, date du début de leur commercialisation, les accus Li-Ion se sont certes améliorés ; de nombreuses variantes ont été testées et commercialisées : Lithium-Ion polymère, lithium-phosphates, lithium métal polymère, etc. Cependant, aucun saut technologique majeur n’a été enregistré depuis bien longtemps. Les progrès obtenus sur une caractéristique se payent généralement par l’amoindrissement d’une autre ou l'apparition d'un inconvénient important. Mais cela pourrait changer dans un avenir relativement proche. Des chercheurs de l’Université Northwester de Chicago, dirigés par le professeur Harold Kung, sont en effet en train de mettre au point des accus Lithium-Ion qui non seulement peuvent stocker 10 fois plus d’énergie, mais se rechargent aussi 10 fois plus vite, sans amoindrissement des autres caractéristiques. Comment ce résultat est-il obtenu ?

Prof Harold Kung

Le professeur Harold H. Kung, de l’université Northwestern de Chicago

Un accu au Lithium-Ion est composé de trois éléments principaux : une électrode positive en oxyde métallique (cobalt ou manganèse) ; une électrode négative en graphite ; un électrolyte constitué de sels de lithium dissous dans un solvant. Entre les deux électrodes, les ions lithium circulent dans un sens quand l’accu est sollicité et dans l’autre quand il est rechargé.

La première amélioration envisageable, connue depuis longtemps, était de remplacer le carbone par du silicium, dont la capacité de stockage d’énergie est beaucoup plus grande. Il faut 6 atomes de carbone pour un atome de lithium, alors qu’un seul atome de silicium permet de capter 4 atomes de lithium ! Malheureusement, le silicium a un gros défaut : il est rigide et lors du processus de charge il se dilate et se contracte de façon spectaculaire. Il perd donc sa cohésion et l’accu cesse rapidement de fonctionner.

Pour contourner l’obstacle, les chercheurs américains ont eu l’idée d’insérer des grappes de silicium entre des feuilles de graphène. Beaucoup plus souples, le graphène contient les déformations du silicium et la circulation des ions lithium se poursuit même si les grappes de silicium se brisent.

Il est apparu alors qu’il fallait résoudre un autre problème, pour ne pas avoir à attendre des heures que les accus finissent de se recharger. La configuration physique de l’anode, une succession de feuilles de carbone de l’épaisseur d’un atome, obligeait les ions lithium à voyager jusqu’aux extrémités des couches pour revenir prendre place entre les feuilles. Un voyage long et encombré. Pour raccourcir cette fastidieuse promenade, les chercheurs ont tout simplement perforé les feuillets de carbone de millions de petits trous de 10 à 20 nanomètres, grâce à un procédé d’oxydation chimique ; ce qui permet aux ions lithium de les emprunter pour circuler plus facilement. Et ça marche !

Reste à passer du stade de prototype de laboratoire à celui de la production en série. Ce qui devrait nous obliger à patienter encore 3 ou 4 ans, selon les chercheurs, avant de les voir équiper nos smartphones...