Les défis technologiques des nouveaux systèmes de batterie

D'une manière générale, l'heure est à la miniaturisation, au nomadisme. En terme de recherche et de développement, on s'oriente vers des solutions plus économiques et surtout plus écologiques, appliquées aux différentes situations de consommation énergétique du quotidien. Le premier exemple qui vient à l'esprit, lorsqu'on évoque le développement de batteries de nouvelle génération, c'est bien sûr celui de la voiture électrique. Des constructeurs automobiles comme, entre autres, Audi et Toyota travaillent sur l'amélioration technologique de leurs véhicules afin de proposer des modèles entièrement "verts". Ce qu'on ignore plus souvent, c'est que les systèmes de batteries ultra-modernes se retrouvent souvent dans les équipements qui envahissent petit à petit notre quotidien: les téléphones mobiles et les ordinateurs portables, certes, mais aussi certains systèmes audio sans fil, et d'une manière générale, tout ce qui est portatif, donc rechargeable. Chez les fabricants de ces équipements, c'est une course à la miniaturisation, à l'autonomie et à la sécurité qui s'est engagée. Voyons quelles sont les innovations qui ouvrent la voie à cette surenchère.

La plupart d'entre nous a déjà connu cette situation dans laquelle son ordinateur portable démissionne au moment le plus inopportun; en voyage, par exemple. C'est pour remédier à ce genre de situation que les ingénieurs et les scientifiques travaillent d'arrache-pied à la conception de systèmes de batteries dont l'autonomie serait dix fois supérieure à celle que l'on connaît aujourd'hui. Bonne nouvelle, les experts nous prédisent cette avancée pour dans 5 ans environ. Mais comment les chercheurs s'y prennent-ils? Une équipe a eu l'idée d'imaginer des batteries capables d'utiliser l'air ambiant pour générer des réactions chimiques permettant un usage beaucoup plus long. Ainsi, une équipe de chercheurs d'IBM pensent avoir résolu le problème de l'instabilité chimique initialement reproché aux batteries lithium-air, et nous promet que les véhicules électriques pourront bientôt parcourir 800 km, voire 1000 km sans besoin de recharge. « Au lieu d’employer des oxydes métalliques dans l’électrode positive, les cellules au lithium-air utilisent du carbone. Le matériau est plus léger et réagit à l’oxygène dans l’air qui l’entoure pour produire un courant », nous explique Smart Planet.
 
Toujours dans le domaine de l'autonomie des systèmes de batterie, certains ingénieurs entrevoient même l'abandon pur et simple de la batterie pour les plus petits équipements, en réduisant le besoin électrique par transistor à moins de 0,5 volts. D'autres, enfin, pressentent le développement de batteries complexes capables de se recharger en exploitant les mouvements du corps, comme certaines montres sont déjà capables de le faire. En attendant ces petites révolutions, le fabricant NEC planche sur le développement de batteries ultra-plates dont l'épaisseur ne dépassera pas 0,3mm, mais dont l'autonomie devra être suffisante pour alimenter les prochaines générations de smartphones. Car si l'accroissement permanent de l'autonomie est déjà en soi un défi technique, il est indissociable d'un autre challenge: celui de la miniaturisation.

C'est dans le domaine des piles que les progrès les plus éloquents en termes de miniaturisation ont été réalisés jusqu'ici, et tant mieux pour les porteurs d'appareils auditifs ou de lampes frontales, cela va de soi. On parle ici de "confortabilité", dans le jargon des développeurs. Mais ce n'est pas le plus étonnant. Saviez-vous, par exemple, que les cartes à puce sont dotées de microbatteries? Le CEA a décidé de pousser la technologie dans ses derniers retranchements en travaillant au développement de batteries lithium de quelques dizaines de microns d'épaisseur, à l'étude depuis les années 90. Déjà en 2000, les multiples usages de ces microbatteries avaient été anticipées:  "les étiquettes intelligentes (suivi logistique d'un colis, marquage des prix en supermarché, porte-monnaie électronique, etc.) devraient connaître une véritable explosion ces prochaines années : ces applications pourront s'ouvrir aux micro-accumulateurs si les performances attendues sont au rendez-vous."
 
Alors qu'en est-il aujourd'hui? Le site Techniques de L'ingénieur nous rapporte qu'une équipe franco-américaine de chercheurs ont récemment mis au point de nouveaux matériaux à base de carbure de titane, qui font sauter les freins à une nouvelle vague de miniaturisation des systèmes de stockage de l'énergie. "Ces matériaux ouvrent la voie à la fabrication de micro-systèmes de grande densité d’énergie, jusqu’alors inaccessibles", précise le magazine qui rappelle que jusqu'à aujourd'hui, les quelques microbatteries existantes souffraient de limitations inhérentes à leur conception, telles "une faible puissance disponible, une durée de vie et un domaine de fonctionnement en température restreints".
 
Une autre équipe, allemande cette fois-ci, s'y est prise autrement pour contourner les lois de la physique. "Si l'on découpe une batterie habituelle, on peut constater qu'elle est constituée de couches enroulées (...). Jusqu'à présent la taille des batteries ne pouvait être réduite que de façon limitée, car l'enroulement des couches ne fonctionne qu'à l'échelle microscopique", explique Oliver Schmidt, de l'Université de Chemnitz. "Ainsi, des unités énergétiques extrêmement compactes sont fabriquées, avec une énorme capacité de stockage d'énergie par unité de surface sur une puce, soit plus de deux fois celle des technologies habituelles". Mais une fois les défis de la miniaturisation et de l'autonomie relevés, reste celui de la sécurité. "Dans le cas d'une carte à puce, le principal intérêt d'une alimentation autonome est d'assurer les fonctions de sécurité de la carte : identification des tentatives d'intrusion malveillante, déclenchement des actions correspondantes", indique le CEA. Ce n'est qu'un exemple parmi d'autres. La sécurité est un enjeu stratégique pour les concepteurs de batteries, mais généralement insoupçonné par le grand public.

C'est aujourd'hui l'enjeu n°1, le sujet qui alimente toutes les discussions chez les ingénieurs: comment garantir que la miniaturisation des batteries et la course à l'autonomie ne se fasse pas au détriment de leur fiabilité et de leur sécurité d'emploi? Pour reprendre l'exemple automobile, un colloque organisé sur le sujet était le théâtre d'intenses débats. Ainsi, des participants admettaient que la charge rapide pouvait accélérer le vieillissement des batteries, tandis que d'autres interrogeaient les constructeurs automobiles sur l'éventuelle dangerosité de celles-ci. Ce à quoi les industriels répondirent que la qualité de la fabrication et de l'assemblage était primordial.
 
C'est là tout l'enjeu: assurer la sécurité de l'utilisateur final, comme le rappelle le directeur technique de Forsee Power Solutions, Philippe Alleil. L'intégrateur de systèmes de batteries français a d'ailleurs fait de la fiabilité son credo: "il existe certains domaines dans lesquels les enjeux de sécurité sont tels qu'ils n'autorisent aucune marge d'erreur. Je pense par exemple aux équipements médicaux comme les oxygénateurs et les respirateurs. Ce marché n'admet pas les apprentis sorciers. Il en va de même pour les équipements de sécurité, ou pour les terminaux de paiement", explique le CTO de Forsee Power Solutions. Pour lui, la conception sur-mesure est l'unique gage de fiabilité des systèmes de batterie: "C'est précisément en déployant une approche sur-mesure auprès de nos clients que nous parvenons à occuper ces niches de marché hyperspécialisées sur le créneau de la fiabilité. En matière d'énergie embarquée, on n'équipe pas un défibrillateur comme on équipe un baladeur numérique!" Une approche du métier que l'on retrouve dans les propos de René de Gaillande, le président de Forsee Power, lorsqu'il évoque une responsabilité humaine, "ce qui paraît évident lorsqu'on équipe des instruments médicaux comme les oxygénateurs ou les respirateurs par exemple", mais aussi économique: "qui dit fiabilité, dit durée de vie."
 
Les besoins et les habitudes évoluent à la vitesse des progrès technologiques de ces dernières années, en même temps que la concurrence oblige les entreprises à se démarquer vivement les unes des autres. Mais cette course à l'échalote ne doit pas occulter l'essentiel: la durée de vie et la sécurité des systèmes de batterie sont des impératifs pour leurs concepteurs. Récemment, au Canada, un bûcheron de 51 ans a été gravement blessé au visage après l'explosion d'une batterie qu'il venait de survolter, au moment de retirer le câble de démarrage. Une opération anodine, pourtant...