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Que sont les batteries à semi-conducteurs flexibles ?

Mar 04, 2022

By hoppt

batterie à semi-conducteurs flexible

Un groupe de scientifiques internationaux a développé un nouveau type de batterie à semi-conducteurs qui pourrait augmenter l'autonomie des véhicules électriques et prévenir les incendies dans les ordinateurs portables et les smartphones. Les auteurs décrivent leurs découvertes dans Advanced Energy Materials. En remplaçant les électrolytes liquides utilisés dans les batteries rechargeables conventionnelles par des électrolytes « solides » en céramique, ils sont capables de produire des batteries plus efficaces et durables qui sont également plus sûres à l'usage. Les chercheurs espèrent que ces avantages ouvriront la voie à des batteries plus efficaces et plus écologiques pour toutes sortes d'appareils, y compris les voitures électriques.

Les auteurs de l'étude, des États-Unis et du Royaume-Uni, explorent depuis un certain temps des alternatives aux électrolytes liquides dans les batteries lithium-ion. En 2016, ils ont annoncé le développement d'une batterie à semi-conducteurs qui pourrait fonctionner à plus de deux fois la tension des cellules lithium-ion conventionnelles, mais avec une efficacité similaire.

Alors que leur dernière conception représente une amélioration significative par rapport à cette version précédente, le chercheur, le professeur Donald Sadoway du MIT, note qu'il y a encore place à l'amélioration : « Atteindre une conductivité ionique élevée dans les matériaux céramiques à des températures élevées peut être difficile », a-t-il expliqué. "Ce fut une réalisation révolutionnaire." Les chercheurs espèrent qu'après avoir testé ces batteries améliorées, elles conviendront aux véhicules électriques ou même à la propulsion des avions.

Dans les batteries à semi-conducteurs, les dommages dus à la surchauffe sont évités en utilisant des électrolytes céramiques plutôt que des liquides inflammables. Si la batterie est endommagée et commence à surchauffer, l'électrolyte céramique se carbonise au lieu de s'enflammer, ce qui l'empêche de prendre feu. Les pores de la structure de ces matériaux solides leur permettent également de transporter une charge électrique beaucoup plus élevée avec des ions se déplaçant à travers un réseau étendu à l'intérieur du solide.

Ces caractéristiques signifient que les scientifiques ont pu augmenter à la fois la tension et la capacité de leurs batteries par rapport à celles contenant des électrolytes liquides inflammables. En fait, a déclaré le professeur Sadoway : "Nous avons fait la démonstration d'une pile lithium-air de 12 volts fonctionnant à 90 °C [194 °F]. C'est plus que quiconque n'a jamais atteint."

Cette nouvelle conception de batterie présente d'autres avantages potentiels par rapport aux électrolytes inflammables, notamment le fait que les électrolytes céramiques sont généralement plus stables que les électrolytes organiques. "Ce qui est étonnant, c'est à quel point cela a fonctionné", a déclaré le professeur Sadoway. "Nous avons tiré plus d'énergie de cette cellule que nous n'en avons mis."

Cette stabilité pourrait permettre aux fabricants d'intégrer un grand nombre de cellules à semi-conducteurs dans des ordinateurs portables ou des voitures électriques sans avoir à se soucier de leur surchauffe, ce qui rend les appareils beaucoup plus sûrs et prolonge leur durée de vie fonctionnelle. Actuellement, si ces types de batteries surchauffent, elles risquent de prendre feu, comme cela s'est récemment produit avec le téléphone Samsung Galaxy Note 7. Les flammes résultantes seraient incapables de se propager car il n'y a pas d'air à l'intérieur des cellules pour entretenir la combustion; en effet, ils seraient incapables de se propager au-delà du site des dégâts initiaux.

Ces matériaux solides sont également très durables ; en revanche, certaines tentatives de fabrication de batteries lithium-ion avec des électrolytes liquides inflammables, qui fonctionnent à des températures plus élevées (plus de 100°C) s'enflamment régulièrement après 500 ou 600 cycles. Les électrolytes en céramique peuvent supporter plus de 7500 cycles de charge/décharge sans prendre feu."

Les nouvelles découvertes pourraient être extrêmement importantes à la fois pour étendre la gamme des véhicules électriques et pour prévenir les incendies de smartphones. Selon Sadoway : « Les anciennes générations de batteries avaient des batteries de démarrage [de voiture] au plomb. Elles avaient une courte portée mais elles étaient incroyablement fiables », a-t-il déclaré, ajoutant que leur faiblesse imprévue était que « s'il faisait plus chaud qu'environ 60 °C, alors ça prendrait feu."

Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui, explique-t-il, sont une avancée par rapport à cela. "Ils ont une longue portée mais ils peuvent être endommagés par une surchauffe grave et un incendie", a-t-il déclaré, ajoutant que la nouvelle batterie à semi-conducteurs est potentiellement une "percée fondamentale" car elle pourrait conduire à des appareils beaucoup plus fiables et plus sûrs.

Les scientifiques du MIT pensent que cette technologie pourrait mettre cinq ans à se généraliser, mais dès l'année prochaine, ils espèrent voir ce type de batteries équiper les smartphones de grands fabricants tels que Samsung ou Apple. Ils ont également noté qu'il existe de nombreuses utilisations commerciales de ces cellules en plus des téléphones, y compris les ordinateurs portables et les véhicules électriques.

Cependant, le professeur Sadoway prévient qu'il reste encore du chemin à parcourir avant que la technologie ne soit perfectionnée. "Nous avons une cellule qui a l'air vraiment excellente, mais ce n'est que le début... Nous n'avons pas encore fabriqué de cellules avec des électrodes à grande échelle et à haute densité de puissance."

Sadoway pense que cette percée sera largement adoptée immédiatement car elle a le potentiel non seulement d'alimenter les véhicules électriques avec une autonomie beaucoup plus grande, mais également de prévenir potentiellement les incendies de smartphones. Peut-être plus surprenant est sa prédiction selon laquelle les batteries à semi-conducteurs pourraient devenir universellement utilisées dans moins de cinq ans une fois que la plupart des fabricants seront convaincus de leur sécurité et de leur fiabilité.

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