Récemment, nous avons
parlé de l'histoire de l'invention des batteries lithium-ion, qui a donné une forte impulsion au développement de l'électronique portable. Chaque année, les médias technologiques nous informent de la prochaine révolution énergétique - juste un peu, encore un an ou deux, et le monde verra des batteries aux caractéristiques fantastiques. Au fil du temps, et la révolution n'est pas visible, dans nos téléphones, ordinateurs portables, quadrocoptères, véhicules électriques et montres intelligentes, diverses modifications des batteries lithium-ion sont toujours installées. Alors, où sont passées toutes les batteries innovantes et existe-t-il une alternative au Li-Ion?
Quand attendre la révolution de la batterie?
C'est dommage de vous bouleverser, mais c'est déjà passé. Il s'est juste étiré pendant quelques décennies et est donc resté presque inaperçu. Le fait est que l'invention des batteries lithium-ion a été l'aboutissement de l'évolution des batteries chimiques.
Les sources de courant chimique sont basées sur une réaction redox entre les éléments. Dans le tableau périodique, seuls 90 éléments naturels peuvent participer à une telle réaction. Ainsi, le lithium s'est avéré être un métal aux caractéristiques extrêmes: la masse la plus faible, le potentiel d'électrode le plus faible (–3,05 V) et la charge de courant la plus élevée (3,83 A · h / g).
Le lithium est la meilleure substance active de cathode sur Terre. L'utilisation d'autres éléments peut améliorer une caractéristique et en aggraver inévitablement une autre. C'est pourquoi les expériences avec les batteries au lithium se poursuivent depuis 30 ans maintenant - en combinant des matériaux, parmi lesquels il y a toujours du lithium, les chercheurs créent des types de batteries avec les caractéristiques nécessaires qui trouvent une application très étroite. La bonne vieille batterie à cathode au lithium-oxyde de cobalt, qui nous est venue des années 80 du siècle dernier, peut encore être considérée comme la plus courante et la plus universelle en raison de l'excellente combinaison de la tension, de la charge de courant et de la densité d'énergie.
Par conséquent, lorsque le prochain démarrage par la bouche des médias promet bruyamment au monde une révolution énergétique de jour en jour, les scientifiques sont modestement silencieux sur le fait que les nouvelles batteries ont des problèmes et des limites qui n'ont pas encore été résolus. Ils ne peuvent généralement pas être résolus.
Le principal problème des batteries "révolutionnaires"
Aujourd'hui, il existe de nombreux types de batteries avec différentes compositions chimiques, y compris sans utiliser de lithium. Chacun des types avec ses propres caractéristiques a trouvé son application dans un certain type de technologie. Les batteries au lithium-cobalt légères, minces et à haute tension sont depuis longtemps prescrites dans les smartphones compacts. Les batteries au lithium-titanate robustes, puissantes mais de très grande taille conviennent aux transports publics. De plus, les cellules au phosphate de lithium ignifuges de faible capacité sont utilisées comme de grands réseaux dans les centrales électriques.
Mais ce sont toujours les batteries au lithium-cobalt pour les équipements mobiles grand public qui sont les plus demandées. Les principaux critères auxquels ils répondent sont une tension élevée de 3,6 V tout en maintenant une intensité énergétique élevée par unité de volume. Malheureusement, de nombreux types alternatifs de batteries au lithium ont une tension beaucoup plus faible - inférieure à 3,0 V et même inférieure à 2,0 V - à partir de laquelle il est impossible d'alimenter un smartphone moderne.
L'affaissement de l'une des caractéristiques peut être compensé en combinant les batteries dans des cellules, mais les dimensions augmentent. Donc, si la prochaine batterie prometteuse aux caractéristiques miraculeuses n'est pas adaptée à une utilisation dans des équipements mobiles ou des véhicules électriques, son avenir est presque garanti d'être prédéterminé. Pourquoi avons-nous besoin d'une batterie avec une durée de vie de 100 000 cycles et une charge rapide, à partir de laquelle vous ne pouvez utiliser qu'une montre-bracelet avec les mains?
Expériences ratées
Toutes les batteries décrites ci-dessous ne peuvent pas être considérées comme infructueuses - certaines nécessitent un développement très long, certaines peuvent trouver leur application non pas dans les smartphones, mais dans des équipements spécialisés. Néanmoins, tous ces développements se positionnent en remplacement des batteries lithium-ion des smartphones.
En 2007, Leyden Energy, une startup américaine, a reçu 4,5 millions de dollars d'investissement de plusieurs fonds de capital-risque pour créer, comme ils le prétendaient, une
nouvelle génération de batteries lithium-ion . La société a utilisé un nouvel électrolyte (Solvent-in-Salt) et une cathode en silicium, qui ont considérablement augmenté l'intensité énergétique et la résistance aux températures élevées jusqu'à 300 ° C. Les tentatives de fabrication de batteries d'ordinateurs portables basées sur le développement ont échoué, alors Leyden Energy s'est tournée vers le marché des voitures électriques.
Malgré l'injection constante de dizaines de millions de dollars, l'entreprise n'a pas pu établir la production de batteries aux caractéristiques stables - les indicateurs ont flotté de copie en copie. Si l'entreprise avait plus de temps et de financement, peut-être qu'en 2012 elle n'aurait pas à vendre de l'équipement, des brevets et passer sous l'aile d'une autre société d'énergie, A123 Systems.
Les batteries au lithium métal ne sont pas nouvelles: elles incluent toute batterie au lithium non rechargeable. SolidEnergy a décidé de créer des piles rechargeables au lithium métal. Le nouveau produit avait le double de l'intensité énergétique par rapport aux batteries au lithium-cobalt. Autrement dit, dans le volume précédent, il était possible de tenir deux fois plus d'énergie. Au lieu du graphite traditionnel à la cathode, ils ont utilisé une feuille de lithium-métal. Jusqu'à récemment, les batteries au lithium métal étaient extrêmement explosives en raison de la croissance des dendrites (poussant sur l'anode et la cathode des formations métalliques ligneuses), ce qui a conduit à un court-circuit, mais l'ajout de soufre et de phosphore à l'électrolyte a aidé à se débarrasser des dendrites (bien que SolidEnergy ne dispose pas encore de la technologie ) En plus du prix très élevé, parmi les problèmes connus des batteries SolidEnergy, il y a une longue charge - 20% de la capacité par heure.
Comparaison des tailles de batteries lithium-métal et lithium-ion de capacité égale. Source: SolidEnergy Systems
Les travaux actifs sur
les éléments soufre-magnésium ont commencé dans les années 2010, lorsque Toyota a annoncé des recherches dans ce domaine. L'anode de ces batteries est du magnésium (un bon analogue de lithium, mais pas équivalent), la cathode est constituée de soufre et de graphite et l'électrolyte est une solution saline ordinaire de NaCl. Le problème avec l'électrolyte est qu'il détruit le soufre et rend la batterie inopérante, vous avez donc dû remplir l'électrolyte immédiatement avant utilisation.
Les ingénieurs de Toyota ont créé un électrolyte à partir de particules non nucléophiles, non agressif pour le soufre. Il s'est avéré qu'une batterie stabilisée est toujours impossible à utiliser pendant longtemps, car après 50 cycles, sa capacité diminue de moitié. En 2015, un additif lithium-ion a été intégré dans la batterie, et après deux ans, l'électrolyte a été mis à jour, portant la durée de vie de la batterie à 110 cycles. La seule raison pour laquelle le travail se poursuit sur une telle batterie de mauvaise humeur est une intensité énergétique théorique élevée (1722 Wh / kg). Mais il se peut que d'ici à l'apparition de prototypes réussis, les éléments magnésium-soufre ne seront plus nécessaires.
Génération au lieu de stockage d'énergie
Certains chercheurs proposent de partir du contraire: ne pas stocker, mais générer de l'énergie directement dans l'appareil. Est-il possible de transformer un smartphone en une petite centrale électrique? Au cours de la dernière décennie, il y a eu plusieurs tentatives pour débarrasser les gadgets de la nécessité de recharger via le secteur. A en juger par la façon dont nous facturons les smartphones maintenant, les tentatives ont échoué - rappelons-nous les inventions les plus «réussies».
Pile à combustible à décomposition directe au méthanol (DFMC). Les tentatives d'introduction de piles à combustible au méthanol dans la technologie mobile ont commencé au milieu des années 2000. À cette époque, il y avait juste une transition des téléphones à bouton-poussoir à longue durée de vie aux smartphones exigeants avec un grand écran - les batteries au lithium-ion ont duré pendant un maximum de deux jours, donc l'idée d'une recharge instantanée semblait très attrayante.
Dans la pile à combustible, le méthanol sur la membrane polymère, qui agit comme un électrolyte, est oxydé en dioxyde de carbone. Le proton d'hydrogène passe à la cathode, se combine avec l'oxygène et forme de l'eau. Nuance: une réaction efficace nécessite une température d'environ 120 ° C, mais elle peut être remplacée par un catalyseur au platine, ce qui affecte naturellement le coût de l'élément.
Il s'est avéré impossible d'insérer une pile à combustible dans le boîtier du téléphone: le compartiment à carburant s'est avéré trop global. Par conséquent, à la fin des années 2000, l'idée du DFMC a pris forme sous la forme de batteries portables (banques d'alimentation). En 2009, Toshiba a lancé une banque d'alimentation électrique au méthanol en série appelée Dynario. Il pesait 280 g et ressemblait à des batteries portables modernes de 30 000 mAh, c'est-à-dire qu'il avait la taille d'une paume. Le prix de Dynario au Japon était de 328 $ et de 36 $ pour un ensemble de cinq flacons de 50 ml de méthanol chacun. Un «ravitaillement» nécessite 14 ml, son volume était suffisant pour deux charges d'un téléphone à bouton-poussoir via USB avec un courant de 500 mA.
Toshiba Dynario ravitaillement et vidéo d'exploitation
Les choses ne sont pas allées au-delà de la sortie d'un lot expérimental de 3000 exemplaires, car la banque d'alimentation s'est avérée trop controversée: chère en soi, avec des consommables coûteux et le coût élevé d'une charge de téléphone (environ 1 $ pour un bouton-poussoir). De plus, le méthanol est toxique et nécessite dans certains pays une licence pour vendre et même acheter.
Panneaux solaires transparents. Les panneaux solaires sont une excellente solution pour l'extraction de l'énergie infinie (de notre siècle) du Soleil. De tels panneaux ont une faible efficacité à un coût élevé et une puissance trop faible, alors qu'ils sont le moyen le plus simple de produire de l'électricité. Mais le vrai rêve de l'humanité est des panneaux solaires transparents, qui pourraient être installés à la place du verre dans les fenêtres des maisons, des voitures et des serres. Pour ainsi dire, alliez affaires et plaisir - production d'électricité et éclairage naturel de l'espace. La bonne nouvelle est qu'il existe des panneaux solaires transparents. La mauvaise chose est qu'ils sont pratiquement inutiles.
Le développeur et l'Université du Michigan présentent un panneau transparent sans cadre. Source: YouTube / Michigan State University
Afin de «capter» les photons de lumière et de les transformer en électricité, le panneau solaire, en principe, ne peut pas être transparent, mais le nouveau matériau transparent peut absorber le rayonnement UV et IR, convertissant tout dans la gamme infrarouge et le retirant sur les bords du panneau. Sur les bords du panneau transparent, des panneaux photovoltaïques en silicium ordinaires sont installés comme cadre, qui captent la lumière qui est extraite dans la plage infrarouge et produisent de l'électricité. Le système fonctionne, seulement avec une efficacité de 1 à 3% ... L'efficacité moyenne des panneaux solaires modernes est de 20%.
Malgré l'efficacité plus que douteuse de la solution, le célèbre fabricant de montres TAG Heuer a annoncé en 2014 le téléphone tag premium Tag Heuer Meridiist Infinite, dans lequel un panneau solaire transparent fabriqué par Wysis a été installé sur le dessus de l'écran. Même lors de l'annonce de la solution pour smartphones, Wysis a promis la puissance d'une telle charge solaire d'environ 5 mW avec 1 cm2 d'écran, ce qui est extrêmement petit. Par exemple, cela ne représente que 0,4 W pour l'écran de l'iPhone X. Étant donné que l'adaptateur complet du smartphone Apple est critiqué pour sa puissance indécemment faible de 5 W, il est clair que vous ne pouvez pas le charger avec 0,4 W.
Soit dit en passant, cela ne fonctionnait pas avec le méthanol, mais les piles à combustible à hydrogène ont reçu un billet pour la vie, devenant la base de la voiture électrique Toyota Mirai et des centrales électriques mobiles Toshiba.
Et ce qui s'est passé: expériences réussies avec Li-Ion
Le succès a été obtenu par ceux qui ne se sont pas précipités pour changer le monde à tout prix, mais ont simplement travaillé sur l'amélioration des caractéristiques individuelles des batteries. Changer le matériau de la cathode affecte considérablement la tension, l'intensité énergétique et la durée de vie de la batterie. Ensuite, nous parlerons des développements habituels, qui confirment une fois de plus l'universalité de la technologie lithium-ion - pour chaque développement "révolutionnaire", il existe un analogue existant plus efficace et moins cher.
Lithium cobalt (LiCoO2 ou LCO). Tension de fonctionnement: 3,6 V, consommation d'énergie jusqu'à 200 W · h / kg, durée de vie jusqu'à 1000 cycles. Anode en graphite, cathode en oxyde de lithium-cobalt, batterie classique décrite ci-dessus. Cette combinaison est le plus souvent utilisée dans les batteries pour équipements mobiles, où une forte consommation d'énergie par unité de volume est requise.
Lithium Manganèse (LiMn2O4 ou LMO). Tension de fonctionnement: 3,7 V, consommation d'énergie jusqu'à 150 W · h / kg, durée de vie jusqu'à 700 cycles. La première composition alternative efficace a été développée avant même le début des ventes de batteries lithium-ion en tant que telles. A la cathode, un spinelle lithium-manganèse a été utilisé, ce qui a permis de réduire la résistance interne et d'augmenter significativement le courant de sortie. Les batteries au lithium-manganèse sont utilisées dans les équipements actuels exigeants, tels que les outils électriques.
Lithium-nickel-manganèse-cobalt (LiNiMnCoO2 ou NMC). Tension de fonctionnement: 3,7 V, consommation d'énergie jusqu'à 220 W · h / kg, durée de vie jusqu'à 2000 cycles. La combinaison de nickel, de manganèse et de cobalt s'est avérée très réussie, les batteries ont augmenté à la fois l'intensité énergétique et la puissance du courant donné. Dans les mêmes «banques», la capacité 18650 est passée à 2800 mAh, et le courant de sortie maximum était jusqu'à 20 A. Des batteries NMC sont installées dans la plupart des véhicules électriques, les diluant parfois avec des cellules lithium-manganèse, car ces batteries ont une longue durée de vie.
Selon les calculs du constructeur, la nouvelle voiture électrique à batterie NMC Nissan Leaf vivra 22 ans. La batterie LMO précédente avait moins de capacité et s'est usée beaucoup plus rapidement. Source: Nissan
Phosphate de fer et de lithium (LiFePO4 ou LFP). Tension de fonctionnement: 3,3 V, consommation d'énergie jusqu'à 120 W · h / kg, durée de vie jusqu'à 2000 cycles. Découverte en 1996, la composition a contribué à augmenter l'ampérage et à augmenter le cycle de vie des batteries lithium-ion jusqu'à 2000 charges. Les batteries au lithium-phosphate sont plus sûres que leurs prédécesseurs et résistent mieux à la surcharge. C'est juste que leur intensité énergétique ne convient pas aux équipements mobiles - lorsque la tension est élevée à 3,2 V, l'intensité énergétique est réduite d'au moins la moitié par rapport à la composition lithium-cobalt. Mais d'un autre côté, le LFP montre moins d'auto-décharge et il y a une endurance spéciale aux basses températures.
Une batterie de piles au phosphate de lithium d'une capacité totale de 145,6 kWh. Ces réseaux sont utilisés pour stocker en toute sécurité l'énergie des panneaux solaires. Source: Yo-Co-Man / Wikimedia
Oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (LiNiCoAlO2 ou NCA). Tension de fonctionnement: 3,6 V, consommation électrique jusqu'à 260 W · h / kg, durée de vie jusqu'à 500 cycles. Très similaire à une batterie NMC, elle a une excellente consommation d'énergie, adaptée à la plupart des équipements avec une tension nominale de 3,6 V, mais le coût élevé et la durée de vie modeste (environ 500 cycles de charge) ne permettent pas aux batteries NCA de battre les concurrents. Jusqu'à présent, ils ne sont utilisés que dans certains véhicules électriques.
Épreuve de force du Saint des Saints - Cellule de batterie électrique Tesla Model S NCA
Titanate de lithium (Li4Ti5O12 ou SCiB / LTO). Tension de fonctionnement: 2,4 V, consommation d'énergie jusqu'à 80 W · h / kg, durée de vie jusqu'à 7000 cycles (SCiB: jusqu'à 15 000 cycles). L'un des types les plus intéressants de batteries lithium-ion dans lesquelles l'anode est constituée de nanocristaux de titanate de lithium. Les cristaux ont permis d'augmenter la surface de l'anode de 3 m2 / g en graphite à 100 m2 / g, soit plus de 30 fois! La batterie au lithium-titanate se charge jusqu'à sa pleine capacité cinq fois plus rapidement et délivre un courant dix fois plus élevé que les autres batteries. Cependant, les batteries au lithium-titanate ont leurs propres nuances qui limitent la portée des batteries. À savoir, la basse tension (2,4 V) et la consommation d'énergie sont 2 à 3 fois inférieures à celles des autres batteries lithium-ion. Cela signifie que pour atteindre une capacité similaire, la batterie au lithium-titanate doit être augmentée plusieurs fois, c'est pourquoi vous ne pouvez pas l'insérer dans le même smartphone.
Module Toshiba SCiB d'une capacité de 45 Ah, tension nominale 27,6 V et courant de décharge 160 A (impulsion jusqu'à 350 A). Il pèse 15 kg et la taille d'une boîte à chaussures: 19x36x12 cm Source: Toshiba
Mais les batteries au lithium-titanate sont immédiatement entrées dans le transport, où une charge rapide, des courants élevés pendant l'accélération et une résistance au froid sont importants. Par exemple, les voitures électriques Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV et les bus électriques de Moscou! Au début du projet, les bus de Moscou ont utilisé un type de batterie différent, ce qui a causé des problèmes même au milieu du premier passage le long du parcours, mais après l'installation de batteries au lithium-titanate Toshiba, il n'y a plus eu de messages concernant les bus électriques déchargés. Les batteries Toshiba SCiB, grâce à l'utilisation de titane-niobium dans l'anode, restaurent jusqu'à 90% de la capacité en seulement 5 minutes - le temps autorisé pour le bus de se garer à l'arrêt final, où il y a une station de charge. Le nombre de cycles de charge qu'une batterie SCiB peut supporter dépasse 15 000.
Test de fuite de batterie au lithium titanate Toshiba. Va-t-il prendre feu ou non?
Singularité énergétique
Depuis plus d'un demi-siècle, l'humanité rêve de mettre de l'énergie atomique dans des batteries qui fourniraient de l'électricité depuis de nombreuses années. En fait, en 1953, un élément bétavoltaïque a été inventé, dans lequel, à la suite de la désintégration bêta d'un isotope radioactif, les électrons ont converti les atomes semi-conducteurs en ions, créant un courant électrique. De telles batteries sont utilisées, par exemple, dans les stimulateurs cardiaques.
Et les smartphones? Rien jusqu'à présent, la puissance des éléments atomiques est négligeable, elle est mesurée en milliwatts et même en microwatts. Vous pouvez acheter une telle batterie même dans une boutique en ligne, mais même la fameuse montre-bracelet ne fonctionnera pas avec.
Combien de temps attendre les batteries atomiques? S'il vous plaît, City Labs P200 - 2,4 V, 20 ans de service, cependant, la puissance est jusqu'à 0,0001 W et le prix est d'environ 8000 $. Source: City Labs
Plus de 10 ans se sont écoulés depuis l'invention des batteries lithium-ion stables jusqu'au début de leur production en série. Peut-être que l'une des dernières nouvelles concernant une source d'alimentation révolutionnaire deviendra prophétique, et dans les années 2030, nous dirons au revoir au lithium et à la nécessité de recharger quotidiennement les téléphones. Mais pour l'instant, ce sont les batteries lithium-ion qui déterminent les progrès dans le domaine de l'électronique portable et des véhicules électriques.