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Une forme inattendue d’énergie carbone pourrait résoudre le problème des batteries

Dariusz Czolak présente un disque de carbure de silicium recouvert d’une couche de graphène à l’Institute of Electronic Materials Technology au mois d’octobre 2012 / Kacper Pempel/Reuters

Dariusz Czolak présente un disque de carbure de silicium recouvert d’une couche de graphène à l’Institute of Electronic Materials Technology au mois d’octobre 2012 / Kacper Pempel/Reuters

Et si vous n'aviez plus besoin de recharger votre téléphone?

Les batteries, c’est pas terrible. Si on les compare à d’autres méthodes de stockage de l’énergie, les piles ne sont pas d’une grande densité énergétique –une batterie ou une pile de 500g stocke bien moins d’énergie que son équivalent en essence. Cela ne serait pas très grave si l’énergie contenue dans une batterie était facile à recharger –si votre voiture électrique peut parcourir seulement quelques centaines de kilomètres avant d’être rechargée et que vous puissiez en refaire le plein en cinq minutes plutôt qu’en plusieurs heures, cela ne vous poserait pas tant de problème.

Les scientifiques travaillent depuis des décennies pour mettre au point la batterie parfaite –une batterie avec une grande densité énergétique ou, au moins, une batterie qui ne serait pas trop longue à charger.

S’il était possible de construire cette batterie parfaite, pratiquement tous les gadgets que nous utilisons, de nos téléphones mobiles à nos ordinateurs portables ou nos futures voitures électriques deviendraient géniaux ou, tout du moins, bien moins ennuyeux qu’ils ne le sont aujourd’hui. La batterie «parfaite» pourrait également permettre d’influer sur d’autres choses importantes: les changements climatiques, les guerres pour le pétrole, la pollution, etc.

Oubliez les batteries

Une des approches possibles pour améliorer les batteries consiste, en fait, à oublier la batterie et à s’intéresser davantage aux condensateurs. Un condensateur (capacitor en anglais) est un dispositif électronique qui permet de stocker de l’énergie électrique. Comme une batterie. Mais les condensateurs peuvent charger ou se décharger de leur énergie bien plus vite que les batteries. Si votre téléphone était pourvu d’un condensateur au lieu d’une batterie, il ne vous faudrait que quelques secondes pour le recharger, au lieu de plusieurs heures.

L’inconvénient, majeur, des condensateurs, c’est qu’ils emmagasinent encore moins d’énergie qu’une batterie. Si on voulait fabriquer des téléphones avec un condensateur intégré, ils seraient deux fois plus gros qu’un grille-pain.

Et si l’on parvenait à construire un condensateur plus dense, un condensateur qui emmagasinerait plus d’énergie et qui chargerait et se déchargerait plus vite? Ces dernières années, des chercheurs de nombreuses compagnies et institutions à travers le globe se sont lancées dans la course au condensateur de nouvelle génération.

Ils sont sur les traces du «supercondensateur» parfait, un condensateur qui emmagasinerait de l’énergie en utilisant des électrodes de carbone immergées dans une solution électrolyte. Pourtant, jusqu’à très récemment, ces supercondensateurs étaient très coûteux à produire et leur densité énergétique s’avérait très inférieure à ce qu’il était théoriquement possible de réaliser. Une des manières les plus prometteuses de créer ces supercondensateurs utilise du graphène –une substance très prisée, composée d’un cristal monoplan de carbone– mais il est presque impossible de produire cette substance de manière peu coûteuse.

Une découverte «accidentelle»

Et puis, quelque chose d’incroyable s’est produit. Maher El-Kady, un étudiant au sein du labo de Richard Kaner à l’UCLA s’est demandé ce qui se passerait s’il plaçait une feuille d’oxyde graphitique –un composé de carbone que l’on trouve en abondance– sous un laser. Pas n’importe quel laser: un laser bas de gamme, en possession de millions de personnes à travers le globe: celui d’un graveur de DVD utilisant la technologie LightScribe, qui sert à graver des indications ou des motifs sur des CD ou des DVD. Comme El-Kady, Kaner et leurs collègues le démontrent dans un article publié l’an dernier dans le célèbre magazine Science, cette petite invention astucieuse a permis de produire des feuilles de graphène de très haute qualité, très rapidement et pour un prix dérisoire.

Cette expérience de gravure de DVD a été qualifiée «d’accident scientifique» mais une telle épithète tend à brouiller son véritable sens. «Rien de ce qui se produit en matière de science ne peut être tenu pour accidentel –ça n’en a l’air qu’avec le recul», comme le dit Kaner. Des années durant, les étudiants du labo de Kaner ont ainsi effectué des expériences sur des sujets allant des polymères aux lasers, dont ceux utilisés par des graveurs LightScribe.

L’idée d’El-Kady de soumettre de l’oxyde graphitique à un laser LightScribe n’est rien d’autre que la poursuite –chanceuse– de ce travail de longue haleine. Ayant vu d’autres étudiants du laboratoire faire des expériences avec ce laser, il a lui aussi décidé de s’y mettre.

«Ce qui est formidable avec cette technique, c’est que n’importe qui peut le faire, c’est d’une simplicité enfantine, dit Kaner. Vous prenez un morceau de plastique, achetez un peur d’oxyde graphitique, vous le placez dans votre graveur de CD et il produit du graphène!»

Plus encore, selon Kaner, cette technique «permet de produire les supercondensateurs à base de carbone les plus puissants jamais réalisés».

Quelle est leur efficacité? Kaner indique que la capacité maximum théorique des condensateurs à base de graphène est de 550 Farad par gramme (le Farad est une unité de stockage d’énergie). D’autres chercheurs ont, dans des labos, créé des supercondensateurs qui peuvent stocker jusqu’à 150 F/g et Kaner pense que les chercheurs de certaines compagnies privées sont arrivés à des résultats supérieurs.

Mais les supercondensateurs de Kaner et El-Kady, produits à partir de graveurs de DVD permette de produire des supercondensateurs dont les capacités dépassent de loin toutes celles recensées.

Dans leur article publié dans Science, ils affirment avoir atteint des taux allant jusqu’à 275 F/g ; soit près du double des maximums jusqu’alors connus. Dans un autre article publié le mois dernier dans Nature Communications, Kaner et El-Kady décrivent la manière d’utiliser leur technique à bas ede graveur deDVD pour produire des micro-supercondensateurs, qui peuvent être utilisés pour alimenter des senseurs et d’autres petits appareils électroniques. Ces supercondensateurs sont encore plus efficace. «Avec ceux-là, dit Kaner, nous pouvons atteindre 400 Farad par gramme.»

Une énergie d’avenir

Les spécialistes de l’énergie du futur considèrent que ces supercondensateurs à forte densité énergétique et si peu coûteux à produire sont promis à un grand avenir. Dans de nombreux domaines, ces machines pourraient remplacer ou être utilisés conjointement avec des batteries pour alimenter plus efficacement en énergie de nombreuses machines.

Dans les véhicules, des supercondensateurs efficaces pourraient être utilisés pour sauvegarder l’énergie cinétique que votre voire perd quand vous freinez –ce que l’on appelle le freinage régénératif– et redistribuer ainsi cette énergie lorsque vous accélérez à nouveau. Plusieurs compagnies chinoises produisent déjà des bus alimentés par des supercondensateurs. Les supercondensateurs se chargeant et se déchargeant rapidement, ces bus peuvent être réalimentés à chaque arrêt. Cette charge rapide permet à chaque bus de parcourir quelques kilomètres –suffisamment pour atteindre le prochain arrêt où ils refont le plein d’énergie.

Kaner affirme que cette vision pourrait être appliquée à d’autres types de véhicules.

«Ma vision ultime, dit Kaner, c’est que quand bien même vous ne pourriez parcourir qu’une trentaine de kilomètres avec votre voiture à supercondensateurs, il serait possible de faire en sorte qu’une des voies de l’autoroute soit une voie de charge. Il suffirait alors que vous rouliez dessus assez longtemps pour que votre voiture soit à nouveau chargée.»

Kaner insiste toutefois sur le fait que ce genre d’innovation n’est pas pour demain. Pour commencer, Kaner et ses homologues chercheurs doivent faire en sorte que le graphène devienne plus efficace encore et qu’il puisse être produit à moindre coût et de manière industrielle. C’est précisément ce sur quoi il travaille; Kaner et son équipe viennent de signer un contrat avec une compagnie fabricant des supercondensateurs afin de trouver un moyen de commercialiser leur technique de production.

Malgré cela, Kamer demeure réticent à fournir un calendrier précis de production de ces nouveaux supercondensateurs et préfère prévenir qu’il ne faut rien espérer de probant dans l’immédiat.

«Je pense que les gens s’attende à une avancée décisive dans la technologie des piles et il est évident que les supercondensateurs sont très prometteurs, dit-il. Mais quand quelqu’un sort un article qui fait du bruit sur un sujet de ce genre et que rien n’en sort au bout d’un an, les gens sont déçus.»

Alors, pour être clair: les supercondensateurs ne vont pas révolutionner nos appareils électriques et électroniques l’an prochain. Mais d’ici cinq à dix ans, il est possible qu’ils changent la manière que nous avons de les recharger.

Farhad Manjoo

Traduit par Antoine Bourguilleau

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