Autonomie fugace

2009/07/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia | Lakar Iraizoz, Oihane - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Quel est le problème? Pourquoi pas de batterie très résistante? Il y a deux réponses possibles. Le premier est oui, les batteries que nous utilisons actuellement sont très durables, mais il a la même durée, que l'utilisateur va toujours demander plus. La batterie parfaite ne devrait pas charger. Tant que ce n'est pas le cas, l'utilisateur demande des améliorations.

Une autre réponse est qu'une batterie a beaucoup de caractéristiques -- c'est une durée - et malheureusement, pour améliorer une caractéristique, nous devons renoncer à une autre. La batterie actuelle fournit sans interruption l'énergie nécessaire. Petit. Pas cher. Et ce n'est pas très dangereux.

Par conséquent, pour améliorer la conception d'une batterie, il est nécessaire de décider lequel de ces caractéristiques doit être améliorée au détriment de laquelle. Notre point de départ est la durabilité. Eh bien, la première chose à sacrifier pour faire une batterie très durable, à savoir une batterie qui n'a pas besoin de recharger pendant un mois, serait la taille de la batterie.

En bref, les piles et les batteries sont un ensemble de produits chimiques qui génèrent du courant électrique. En sélectionnant les produits appropriés, les atomes d'un produit fournissent des électrons aux atomes d'un autre produit. En fait. Par conséquent, pour que la batterie puisse fonctionner plus longtemps, il est nécessaire d'augmenter les quantités des deux produits chimiques. En définitive, pour que l'échange d'électrons se prolonge, il faut introduire beaucoup d'électrons dans le système, ce qui signifie que de grandes quantités de produit donateur et récepteur sont nécessaires. Mais cela génère un problème de taille : pour augmenter la durée d'une batterie, il faut augmenter la taille. Contrairement à ce que le marché exige.

Petits enfants

Un regard sur l'évolution des piles.

Roberto Gutiérrez

Les téléphones mobiles actuels sont grâce aux batteries. Ils utilisent des batteries très petites. Et pourtant, le marché exige qu'ils soient encore plus petits. En ce sens, les marchés des ordinateurs portables et des téléphones mobiles sont très différents. Les ordinateurs n'ont pas une seule batterie, mais un groupe de batteries. Sur les mobiles, au contraire, la batterie est unique et sa taille est plus importante.

Une façon de fabriquer de petites batteries est de remplacer ces produits chimiques. Il semble une idée simple: remplacer les atomes qui occupent peu d'espace par ceux qui occupent beaucoup d'espace. Pour cela, il est nécessaire de trouver les petits atomes appropriés.

Cette révolution a eu lieu il ya une vingtaine d'années. Jusqu'alors prédominaient les batteries de nickel et de cadmium ou de nickel et de métal hydrure. Un substitut de ces systèmes, une nouvelle technologie, a été inventé. Le changement le plus important était la taille de l'électrolyte ; les batteries basées sur le nickel utilisaient l'hydroxyde potassique comme source d'ions, tandis que dans les nouvelles batteries on commença à utiliser un petit atome : le lithium. Étant petits, les ions lithium-ion donnent beaucoup plus de puissance à la batterie.

Le lithium prédomine

La révolution a été très grande. Les premières batteries ion-lithium ont été lancées en 1991 et ont aujourd'hui colonisé le domaine des appareils électroniques conventionnels. Essayez la batterie du téléphone mobile, GPS, PDA, ordinateur, appareil photo, etc. Presque tous les appareils électroniques classiques ont une batterie ion-lithium.

La chimie basée sur le lithium présente d'importants avantages par rapport au système nickel-cadmium. D'une part, pour la même taille, la batterie ion-lithium fournit plus de potentiels et de densités d'énergie que l'autre. En outre, il n'a pas d'effets de mémoire, c'est-à-dire, même s'il est chargé sans décharge complète, la batterie ne perd pas de capacité (pour que les batteries nickel cadmium fonctionnent correctement il faut les décharger complètement et les charger complètement à chaque cycle, mais pas d'ion lithium). En outre, les batteries ion-lithium perdent très peu de charge tant qu'elles ne sont pas utilisées, contrairement à celles du nickel cadmium.

Les batteries d'ordinateurs portables sont nettement supérieures à celles des téléphones mobiles. La demande d'énergie est beaucoup plus élevée. À la base, cependant, ils sont égaux : les batteries des ordinateurs sont des ensembles de plusieurs batteries de mobiles, de 4, 6 ou 8 cellules.

Guillermo Roa

Apparemment, tous sont des avantages, donc dans les petites batteries actuelles, qui nécessitent des appareils électriques portables, prédomine la technologie du lithium. Mais cela n'a pas toujours été le cas. Dans les articles jusqu'à il y a trois ans, après avoir expliqué les avantages du lithium, on a souligné une question: "Alors, pourquoi ne voyons-nous pas ces batteries sur tous les appareils?" Le problème était la sécurité.

Les chimistes savent que le lithium est un métal dangereux. Très réactif. Elle s'enflamme seulement en contact avec l'air. Le stockage en azote n'est pas une bonne idée, il n'y a guère d'éléments qui réagissent au gaz azote, mais le lithium réagit.

La cathode de la plupart des batteries est composée d'un oxyde de cobalt. C'est un matériau approprié mais dégrade au-dessus des 160C, dégage de l'oxygène qui réagit très rapidement avec le lithium et s'enflamme. En outre, la batterie contient des solvants organiques inflammables. Ce mélange est une petite pompe. Ce n'est pas une blague: ils ont été des explosions.

Entre 2003 et 2006, les plus gros problèmes avec les batteries au lithium sont enregistrés sur le marché. Là, les téléphones mobiles, les ordinateurs portables, etc. incendié, après un incendie ou une explosion de batteries.

Par des explosions ou des risques d'explosion, HP, Dell, Toshiba, Sony, Sanyo, Nokia, LG et d'autres fabricants ont dû sortir du marché des milliers d'outils. Par exemple, on entendait périodiquement « Toshiba a demandé aux 340.000 utilisateurs qui ont acheté des ordinateurs portables avec batterie de ce type de modèle de rendre leurs outils ».

Temps de sécurité

Yahoo! Il a éclaté au siège de l'entreprise aux États-Unis. L'explosion a provoqué l'apparition de toutes les alarmes incendie. Le personnel de toute la tour de bureaux où se trouvait l'ordinateur qui a explosé a été expulsé du bâtiment et en 45 minutes il n'a pas pu retourner au travail.

Stewart Butterfield

La situation actuelle n'est pas la même. Au cours des deux dernières années, beaucoup a été étudié pour assurer la sécurité des batteries. Par conséquent, la question des explosions est dépassée et l'ion lithium a colonisé le marché de la batterie. Comment ? Et surtout grâce à des circuits électriques.

Les batteries étaient principalement chauffées dans les processus de chargement et de déchargement. Les fabricants ont réalisé que c'était un problème électrique. Et la solution pouvait aussi être électrique. Un circuit de sécurité a été ajouté, en définitive un interrupteur. Si la température augmente au-dessus de 90C ou la différence de potentiel au-dessus de 4,3 volts, le circuit interrompt le flux d'électricité.

Ce problème a été résolu par le circuit et pourtant cette étude n'a pas été achevée. Ces derniers temps, le problème a également été analysé du point de vue chimique : l'oxyde de cobalt peut être remplacé. Ils ont cherché un matériau qui a besoin de plus de 160 C pour se dégrader. Avec certains composés de manganèse, la distance de sécurité augmente de 20 C. Et avec quelques phosphates, 50 C de plus qu'avec l'oxyde de cobalt. En contrepartie, la densité énergétique est perdue, car les cathodes d'oxyde de cobalt sont celles qui accumulent la plus grande densité énergétique.

Pour le moment, l'oxyde de cobalt prédomine dans les cathodes des batteries lithium-ion que nous utilisons, mais bientôt les nouveaux matériaux pourraient remplacer le cobalt. Le phosphate, par exemple, a été testé pour la première fois en 1997 et des batteries phosphatées ont déjà été commercialisées. Les batteries sont plus sûres et en plus le phosphate est moins cher que l'oxyde de cobalt.

Dernier, polymères

La recherche de matériaux a également influencé un domaine différent de celui de la sécurité : la taille. Le lithium est petit et il est difficile de trouver un électrolyte plus petit, mais il est possible de réduire la zone dans laquelle se déplace cet électrolyte. Au lieu de plonger dans un liquide organique dans un solide filamenteux, des batteries plus fines peuvent être faites. C'est avec cette idée que naissent les batteries lithium-ion avec support polymère, les batteries au lithium polymère.

Les systèmes de batteries au lithium fournissent une tension de 3,7 V, triple par rapport au nickel. Ainsi, pour obtenir la même tension avec les batteries de nickel, trois batteries sont placées en série.

Guillermo Roa

Qu'est-ce qui est perdu dans ce cas? Naturellement, en utilisant un solide au lieu d'un liquide, la mobilité de l'électrolyte est perdue. Le polymère n'est pas un solide rigide mais un gel, et pourtant c'est le problème de la mobilité. Par conséquent, la batterie n'apporte pas autant de tension que celle de l'ion lithium conventionnel. Au lieu de 3,7 volts, le polymère au lithium reste environ 3,4.

Ce n'est pas une grande réduction, mais il faut garder à l'esprit que cette technologie doit répondre à la danse du marché. À mesure que la recherche des batteries avance, le marché a également évolué. Dans le cas des ordinateurs portables, les batteries n'ont pas tellement changé parce qu'elles ont avancé avec un standard. Au contraire, les téléphones mobiles, en plus d'être de plus en plus petits, offrent de plus en plus de ressources: Capacité de connexion Internet, extension et amélioration des écrans, etc.

Le marché exige des batteries plus puissantes, non seulement plus durables et plus petites. Et pour satisfaire ce besoin, il attend la prochaine révolution des batteries.

Marché des lites dans la poche

Le lithium occupe de plus en plus d'espace sur le marché des batteries. Selon le cabinet de conseil Avicenne Développement, la part des batteries au lithium sur le marché a triplé ces dernières années : En 2000, il n'atteignait pas 17% et en 2008 58% du total des batteries étaient au lithium. Face à l'avenir, en outre, il semble qu'ils vont acquérir une proportion croissante. Selon les prévisions de cette entreprise, environ 68% du marché sera alloué pour 2015.

(Photo: Oihane Lakar)

La proportion n'est pas la seule qui a augmenté. En termes quantitatifs, les appareils électroniques nécessitant des batteries ont considérablement augmenté et, bien sûr, les batteries aussi. Le nombre d'utilisateurs de téléphones mobiles, par exemple, est passé d'un milliard à quatre milliards au cours des huit dernières années. Les batteries ont répondu à ce plus grand besoin et sont passées d'environ 3 milliards de batteries à 5 milliards depuis 2000.

Parmi les batteries, celles au lithium sont sans aucun doute celles qui prolifèrent le plus, et pour cette raison elles ont une plus grande proportion. Cependant, la proportion de batteries de nickel n'est pas négligeable car elles représentent environ 40% du marché. La proportion est inférieure à il y a quelques années, mais cela ne signifie pas qu'ils disparaissent. Dans les nombres absolus, on observe de très petites variations dans les batteries de nickel.

The recargeable Battery market, 2007-2020, juin 2008.

(Photo: Guillermo Roa)

Les deux sous-groupes de batteries de nickel, cependant, ont une tendance défavorable sur le marché. Ceux qui remplacent le cadmium par l'hydrure métallique montent et semblent continuer à monter. Plus de la moitié des batteries sont destinées aux voitures électriques et le reste sont utilisés pour les téléphones sans fil, les jouets, etc.

Ceux qui ont le cadmium, quant à eux, sont en déclin et les prévisions d'avenir indiquent qu'ils suivront cette voie. Il n'est pas surprenant que les batteries d'hydrure métallique ont été créées pour remplacer celles de cadmium, afin d'éviter en quelque sorte l'effet polluant du cadmium.

Effet mémoire mémoire

Les batteries de nickel cadmium nous ont laissé une grande empreinte. Nous avons appris que pendant le chargement il faut les charger complètement et qu'en les déchargeant ils doivent être utilisés jusqu'à ce que la batterie soit complètement vidée. Si ce n'est pas fait complètement, les batteries de nickel cadmium sont "évoquées" avec cette charge intermédiaire et sont dépensées. C'est ce que les experts ont appelé effet mémoire. C'est un problème physique, si elle n'est pas complètement chargée, le matériau intérieur de la batterie se cristallise et perd des propriétés électriques. Il semble que dans les nouvelles batteries d'hydrure de nickel métal, l'effet de mémoire est dépassé, mais il est encore très général dans les batteries de nickel.

Schémas simplifiés de batteries de nickel cadmium et li-ion.

(Photo: Guillermo Roa)

Les batteries lithium-ion n'ont pas d'effets de mémoire. Par conséquent, il n'est pas nécessaire d'agir comme avec les batteries de nickel. Mais les utilisateurs sont habitués à cela et nous agissons de la même manière avec le lithium. Cependant, l'absence d'effets de mémoire ne signifie pas que les batteries au lithium ne sont pas endommagées. Avec le temps, le lithium est introduit physiquement dans la cathode, car en recevant l'électron prend le volume, ce qui brise la structure de la cathode. Un craking se produit, c'est-à-dire la rupture des grandes molécules de la cathode. Au fil du temps, la cathode ne conduit pas d'électricité.