Ces dernières années, nous avons souvent entendu cela à peu près - et l'humanité recevra des batteries qui pourront alimenter nos gadgets pendant des semaines, voire des mois, tout en étant très compactes et à charge rapide. Mais les choses sont toujours là. Pourquoi ne sont pas encore apparues des batteries plus efficaces et quel genre de développements existent dans le monde, lisez sous le chat.
Aujourd'hui, un certain nombre de startups sont sur le point de créer des batteries compactes sûres avec un coût de stockage d'énergie d'environ 100 $ par kWh. Cela résoudrait le problème de l'alimentation électrique 24h / 24 et 7j / 7 et, dans de nombreux cas, passerait à des sources d'énergie renouvelables, tout en réduisant le poids et le coût des véhicules électriques.
Mais tous ces développements approchent très lentement du niveau commercial, ce qui ne permet pas d'accélérer la transition des minéraux vers les sources renouvelables. Même Elon Musk, qui aime les promesses audacieuses, a été forcé d'admettre que sa division automobile améliore progressivement les batteries lithium-ion, plutôt que de créer des technologies révolutionnaires.
De nombreux développeurs estiment que les futures batteries auront une forme, une structure et une composition chimique complètement différentes de celles du lithium-ion, qui au cours de la dernière décennie ont remplacé d'autres technologies de nombreux marchés.
Le fondateur de SolidEnergy Systems, Qichao Hu, qui développe une batterie au lithium métal depuis dix ans (une anode métallique plutôt qu'une graphite, comme dans le lithium-ion traditionnel), dit que le principal problème avec la création de nouvelles technologies de stockage d'énergie est , qu'avec l'amélioration d'un paramètre, les autres s'aggravent. De plus, il y a tellement de développements aujourd'hui, dont les auteurs revendiquent haut et fort leur supériorité, qu'il est très difficile pour les startups de convaincre les investisseurs potentiels et d'attirer suffisamment de fonds pour poursuivre la recherche.
Selon un
rapport de Lux Research , au cours des 8 à 9 dernières années, la société a investi environ 4 milliards de dollars dans la recherche sur le stockage d'énergie, dont 40 millions de dollars ont été gagnés en moyenne par des startups créant des «technologies de prochaine génération». Dans le même temps, Tesla a investi environ 5 milliards de dollars dans Gigafactory, qui est engagée dans la production de batteries lithium-ion. Un tel écart est très difficile à combler.
Selon Gerd Ceder, professeur de science des matériaux à l'Université de Californie à Berkeley, la création d'une petite chaîne de production et la résolution de tous les problèmes de production pour sortir les batteries représentent environ 500 millions de dollars. Les constructeurs automobiles peuvent tester de nouvelles technologies de batterie pendant des années avant de décider d'acheter les startups qui les ont créées. Même si une nouvelle technologie arrive sur le marché, il est nécessaire de surmonter la période dangereuse de l'augmentation des volumes et de la recherche de clients. Par exemple, Leyden Energy et A123 Systems ont échoué, malgré la promesse de leurs produits, car les besoins financiers étaient plus élevés que prévu et la demande n'a pas été à la hauteur des attentes. Deux autres startups, Seeo et Sakti3, n'ont pas réussi à atteindre des volumes de production de masse et un niveau de revenu significatif et ont été achetées pour des montants beaucoup plus faibles que les investisseurs principaux ne le prévoyaient.
Dans le même temps, les trois principaux fabricants mondiaux de batteries - Samsung, LG et Panasonic - ne sont pas trop intéressés par les innovations et les changements radicaux, ils préfèrent légèrement améliorer leurs produits. Ainsi, toutes les startups proposant des technologies de rupture sont confrontées à un problème majeur qu'elles préfèrent ne pas mentionner: les batteries lithium-ion développées à la fin des années 1970 continuent de s'améliorer.
Mais encore - quelles technologies peuvent remplacer les batteries lithium-ion omniprésentes?
Batteries Li-Air rechargeables
Dans les batteries lithium-air, l'oxygène est utilisé comme agent oxydant. Potentiellement, elles peuvent être beaucoup moins chères et plus légères que les batteries lithium-ion, et leur capacité peut être beaucoup plus grande avec des tailles comparables. Les principaux problèmes de la technologie: perte d'énergie importante due à la dissipation thermique lors de la charge (jusqu'à 30%) et une dégradation relativement rapide de la capacité. Mais on espère que d'ici 5 à 10 ans ces problèmes pourront être résolus. Par exemple, l'année dernière, un nouveau type de technologie lithium-air a été introduit - une
batterie avec une cathode nanolytique .
Bioo Charger
Cet appareil se présente sous la forme d'un
pot spécial pour les plantes qui utilise l'énergie de la photosynthèse pour recharger les gadgets mobiles. De plus, il est déjà disponible à la vente. L'appareil peut fournir deux à trois sessions de charge par jour avec une tension de 3,5 V et un courant de 0,5 A. Les matières organiques dans le pot interagissent avec l'eau et les produits de réaction de photosynthèse, ce qui donne suffisamment d'énergie pour charger les smartphones et les tablettes.
Imaginez des bosquets entiers dans lesquels chaque arbre est planté sur un tel appareil, seulement plus grand et plus puissant. Cela permettra de fournir de l'énergie «gratuite» aux maisons environnantes et sera une bonne raison de protéger les forêts de la déforestation.
Batteries nanofils d'or
À l'Université de Californie à Irvine
, des batteries à nanofils ont été
développées qui peuvent supporter plus de 200 000 cycles de charge pendant trois mois sans aucun signe de dégradation de la capacité. Cela augmentera considérablement le cycle de vie des systèmes d'alimentation dans les systèmes critiques et l'électronique grand public.
Des nanoconducteurs des milliers de fois plus fins qu'un cheveu humain promettent un avenir meilleur. Dans leur développement, les scientifiques ont utilisé des fils d'or dans une coquille de dioxyde de manganèse, qui sont placés dans un électrolyte de type gel. Cela empêche la destruction des nanoconducteurs au cours de chaque cycle de charge.
Batteries au magnésium
Toyota travaille sur l'
utilisation du magnésium dans les batteries . Cela vous permettra de créer de petits modules hermétiques qui n'ont pas besoin de boîtiers de protection. À long terme, ces batteries peuvent être moins chères et plus compactes que celles au lithium-ion. Certes, cela ne se produira pas de sitôt. Si cela arrive.
Batteries à semi-conducteurs
Les batteries lithium-ion conventionnelles utilisent un électrolyte liquide inflammable comme moyen de transfert des particules chargées entre les électrodes, conduisant progressivement à la dégradation de la batterie.
Les batteries lithium-ion à l'
état solide , qui sont aujourd'hui considérées comme l'une des plus prometteuses, sont privées de cet inconvénient. En particulier, les développeurs de Toyota ont
publié un article scientifique dans lequel ils décrivent leurs expériences avec des conducteurs superioniques sulfurés. S'ils réussissent, les batteries seront créées au niveau des supercondensateurs - elles se chargeront ou se déchargeront complètement en seulement sept minutes. Idéal pour les véhicules électriques. Et grâce à la structure à semi-conducteurs, ces batteries seront beaucoup plus stables et plus sûres que les batteries lithium-ion modernes. Leur plage de températures de fonctionnement s'étendra également - de –30 à +100 degrés Celsius.
Les scientifiques du Massachusetts Institute of Technology en collaboration avec Samsung ont également
développé des batteries à semi-conducteurs qui surpassent les batteries lithium-ion modernes dans leurs caractéristiques. Ils sont plus sûrs, la consommation d'énergie est de 20 à 30% plus élevée et, en plus, ils peuvent supporter des centaines de milliers de cycles de recharge. Oui, et pas de risque d'incendie.
Piles à combustible
L'amélioration des piles à combustible peut conduire au fait que nous chargerons les smartphones une fois par semaine et que les drones voleront plus d'une heure. Des scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Pohang (Corée du Sud) ont
créé une cellule dans laquelle des éléments en acier inoxydable poreux avec un électrolyte en couche mince et des électrodes avec une capacité thermique minimale ont été combinés. La conception s'est avérée plus fiable que les batteries lithium-ion et dure plus longtemps. Il est possible que le développement soit implémenté dans des produits commerciaux, principalement dans les smartphones Samsung.
Batteries de voiture de graphène
De nombreux experts pensent que l'avenir repose sur les batteries au graphène.
Graphenano a développé la batterie
Grabat , qui peut fournir une autonomie électrique allant jusqu'à 800 km. Les développeurs affirment que la batterie se charge en quelques minutes - la vitesse de charge / décharge est 33 fois supérieure à celle du lithium-ion. Une décharge rapide est particulièrement importante pour assurer une dynamique d'accélération élevée des véhicules électriques.
La capacité du Grabat de 2,3 volts est énorme: environ 1000 Wh / kg. A titre de comparaison, les meilleurs échantillons de batteries lithium-ion ont un niveau de 180 Wh / kg.
Micro-condensateurs réalisés avec un laser
Les scientifiques de l'Université Rice ont
progressé dans le développement de micro-condensateurs . L'un des principaux inconvénients de la technologie est le coût élevé de fabrication, mais l'utilisation d'un laser peut entraîner une baisse significative des prix. Les électrodes pour condensateurs sont découpées au laser à partir d'une feuille de plastique, ce qui réduit considérablement la complexité de la production. Ces batteries peuvent se charger jusqu'à 50 fois plus rapidement que les batteries lithium-ion et se décharger plus rapidement que les supercondensateurs utilisés aujourd'hui. De plus, ils sont fiables, pendant les expériences, ils ont continué à fonctionner même après 10 000 virages.
Batteries au sodium-ion
Un groupe de chercheurs français et de sociétés RS2E ont développé
des batteries aux
ions sodium pour les ordinateurs portables utilisant du sel ordinaire. Le principe de fonctionnement et le processus de fabrication sont tenus secrets. La capacité de la batterie de 6,5 cm est de 90 Wh / kg, ce qui est comparable à la masse lithium-ion, mais elle ne peut pas supporter plus de 2 000 cycles de charge.
Batteries en mousse
Une autre tendance dans le développement des technologies de stockage d'énergie est la création de structures tridimensionnelles. En particulier, Prieto a créé une batterie à base d'un
substrat de mousse métallique (cuivre). Il n'y a pas d'électrolyte inflammable, une telle batterie a une longue ressource, elle se charge plus rapidement, sa densité est cinq fois plus élevée, et elle est également moins chère et moins que les batteries modernes. Prieto espère d'abord introduire son développement dans l'électronique portable, mais soutient que la technologie peut être distribuée plus largement: utilisation dans les smartphones, et même dans les voitures.
"Nano-jaune" de grande capacité à charge rapide
Un autre développement du Massachusetts Institute of Technology est les
nanoparticules pour batteries : une coquille creuse en dioxyde de titane, à l'intérieur de laquelle (comme un jaune dans un œuf) est une charge en poudre d'aluminium, acide sulfurique et oxysulfate de titane. Les dimensions de la charge peuvent varier indépendamment de la coque. L'utilisation de ces particules a permis de multiplier par trois la capacité des batteries modernes et la durée d'une charge complète a été réduite à six minutes. De plus, le taux de dégradation de la batterie a diminué. Cerise sur le gâteau - faible coût de production et facilité de mise à l'échelle.
Batterie ultra-rapide en aluminium-ion
À Stanford, ils ont développé une
batterie aluminium-ion qui se charge complètement en une minute environ. Dans le même temps, la batterie elle-même a une certaine flexibilité. Le principal problème est que la capacité spécifique est environ la moitié de celle des batteries lithium-ion. Bien que, compte tenu de la vitesse de charge, ce n'est pas si critique.
Batterie Alfa - deux semaines sur l'eau
Si Fuji Pigment parvient à évoquer sa
batterie aluminium-air Alfa, alors nous attendons l'émergence de vecteurs énergétiques, dont la capacité est 40 fois supérieure à celle du lithium-ion. De plus, la batterie se recharge en
ajoutant de l'eau , nature ou salée. Selon les développeurs, Alfa pourra travailler sur une seule charge pendant un maximum de deux semaines. Peut-être que de telles batteries apparaîtront d'abord sur les véhicules électriques. Imaginez une station-service que vous appelez pour l'eau.
Batteries pliables comme le papier
Jenax a créé une batterie flexible
J.Flex qui ressemble à du papier
épais . Il peut même être plié. De plus, il n'a pas peur de l'eau et est donc très pratique pour une utilisation dans les vêtements. Ou imaginez une montre-bracelet avec une pile en forme de bracelet. Cette technologie vous permettra de réduire la taille des gadgets eux-mêmes et d'augmenter la quantité d'énergie portable. Un autre scénario est la création de smartphones et tablettes pliables flexibles. Besoin d'un écran plus grand? Développez simplement le gadget plié en deux.
Selon les développeurs, l'échantillon test résiste à 200 000 plis sans perte de capacité.
Batteries élastiques
Les entreprises flexibles travaillent à la création de vecteurs énergétiques flexibles. Et une équipe de scientifiques de l'Arizona State University est allée plus loin et, avec l'aide d'une conception mécanique spéciale, a créé une batterie
sous la forme d'un ruban élastique . Il est possible que l'idée se développe et permette de construire des piles dans les vêtements.
Batterie urinaire
En 2013, la Fondation Bill Gates a investi dans la poursuite des recherches au Bristol Robotic Laboratory sur la création de
batteries fonctionnant sur l'urine . L'astuce consiste à utiliser des "piles à combustible microbiennes": elles contiennent des micro-organismes qui décomposent l'urine et produisent de l'électricité. Qui sait, peut-être qu'aller bientôt aux toilettes sera non seulement une nécessité, mais aussi littéralement une activité utile.
Ryden - Batteries au carbone à charge rapide
En 2014,
Power Japan Plus a annoncé des plans pour la production de batteries à base de matériaux en carbone. Ils pourraient être produits sur le même équipement que le lithium-ion. Les batteries au carbone devraient durer plus longtemps et se charger 20 fois plus rapidement que les batteries lithium-ion. Une ressource de 3 000 cycles de charge a été déclarée.
Batterie organique, presque rien
À Harvard,
une technologie de batterie organique a été créée
avec un coût de production de 27 $ par kWh. C'est 96% moins cher que les batteries à base de métal (environ 700 $ par kWh). L'invention utilise des molécules de quinone presque identiques à celles contenues dans la rhubarbe. En termes d'efficacité, les batteries organiques ne sont pas inférieures aux batteries traditionnelles et peuvent être dimensionnées à des tailles énormes sans problème.
Ajoutez simplement du sable
Cette technologie est une
modernisation des batteries lithium-ion . Au lieu d'anodes en graphite, l'Université de Californie à Riverside a utilisé un mélange brûlé de sable raffiné et concassé (quartz de lecture) avec du sel et du magnésium. Cela a permis d'augmenter les performances des batteries lithium-ion conventionnelles et de tripler leur durée de vie.
Charge rapide et longue durée de vie
À l'Université technologique de Nanyang (Singapour), ils ont
développé leur propre modification d'une batterie lithium-ion , qui se charge à 70% en deux minutes et dure 10 fois plus longtemps que les batteries lithium-
ion conventionnelles. Dans ce document, l'anode n'est pas faite de graphite, mais d'une substance semblable à un gel à base de dioxyde de titane - une matière première bon marché et répandue.
Batteries nanopores
À l'Université du Maryland à College Park, ils ont créé une
structure nanoporeuse , dont chaque cellule fonctionne comme une minuscule batterie. Un tel réseau est chargé pendant 12 minutes, soit trois fois la capacité d'une batterie lithium-ion de même taille et peut supporter environ 1 000 cycles de charge.
Production d'électricité
Énergie cutanée
Il ne s'agit pas tant des batteries, mais de la manière d'obtenir de l'énergie. En théorie, en utilisant l'énergie de friction d'un appareil portable (montre, tracker de fitness) sur la peau, vous pouvez générer de l'électricité. Si la technologie peut être suffisamment améliorée, à l'avenir, dans certains gadgets, les batteries fonctionneront simplement parce que vous les portez sur le corps.
Le prototype d'un tel nanogénérateur est un film d'or de 50 nanomètres d'épaisseur, déposé sur un substrat en silicone contenant des milliers de minuscules pattes qui augmentent la friction du substrat contre la peau. Le résultat est un
effet triboélectrique .
uBeam - chargement par air
uBeam est un concept curieux de transfert d'énergie vers un appareil mobile à l'aide d'ultrasons. Le chargeur émet des ondes ultrasoniques qui sont captées par le récepteur sur le gadget et converties en électricité. Apparemment, l'effet piézoélectrique est la pierre angulaire de l'invention: le récepteur résonne sous l'influence des ultrasons, et ses oscillations génèrent de l'énergie.
Un cheminement similaire est allé aux scientifiques de Queen Mary de l'Université de Londres. Ils ont créé un prototype de smartphone qui se charge
simplement en raison du bruit externe , y compris des voix des gens.
Storedot
Le
chargeur StoreDot a été développé par une startup apparue sur la base de l'Université de Tel Aviv. L'échantillon de laboratoire a pu charger la batterie du Samsung Galaxy 4 en 30 secondes. Il est rapporté que le dispositif est basé sur des semi-conducteurs organiques fabriqués à partir de peptides. Fin 2017, une batterie de poche devrait être mise en vente, capable de recharger les smartphones en cinq minutes.
Panneau solaire transparent
Alcatel a développé un prototype de panneau solaire transparent qui est placé en haut de l'écran afin que le téléphone puisse être rechargé simplement en le plaçant au soleil. Bien sûr, le concept n'est pas idéal en termes d'angles de vision et de puissance de charge. Mais l'idée est belle.
Un an plus tard, en 2014, Tag Heuer a
annoncé une nouvelle version de son téléphone
ponton Tag Heuer Meridiist Infinite, dans laquelle un panneau solaire transparent devait être placé entre la vitre extérieure et l'écran lui-même. Certes, il n'est pas clair s'il s'agit de production.