Si les batteries au graphène font tout ce que les scientifiques disent, elles pourraient changer la donne

Imaginez que vous roulez sur l’autoroute dans votre nouvelle voiture électrique, équipée de la dernière batterie au graphène. Vous remarquez que vous êtes à court de jus, alors vous vous arrêtez sur une aire de repos, vous la branchez et vous allez à l’intérieur pour prendre une pizza.

Au moment où vous avez terminé et que vous êtes de retour à l’extérieur, votre voiture est déjà presque chargée – et prête pour un autre 300 miles ininterrompu.

C’est l’avenir du transport que certains scientifiques aux yeux étoilés promettent pour bientôt. Ils affirment qu’en suralimentant les batteries avec du graphène – une feuille de carbone d’un seul atome d’épaisseur – tout, des outils électriques aux voitures électriques, se chargera plus rapidement, contiendra plus d’énergie, coûtera moins cher et aidera peut-être même la civilisation à s’éloigner enfin des combustibles fossiles destructeurs de la planète. Et ces merveilleuses batteries pourraient commencer à se déployer, disent-ils, dans le courant de l’année prochaine.

« Le graphène est un matériau étonnant, et il est particulièrement étonnant en tant que matériau pour les batteries », a déclaré à Futurism Chip Breitenkamp, un scientifique spécialiste des polymères et vice-président du développement commercial de la société de batteries au graphène NanoGraf. Selon lui, cette technologie peut « permettre aux batteries de se charger plus rapidement et de dissiper la chaleur plus efficacement. Cela a de grandes implications. Cela signifie que les outils électriques ne surchauffent pas aussi rapidement. Cela signifie que les appareils ménagers servent mieux les familles, plus longtemps. Et cela signifie finalement qu’ils peuvent se charger plus rapidement. »

« Essentiellement, le graphène peut jouer un rôle central dans l’alimentation d’un avenir électrique durable », a ajouté Breitenkamp.

La charge rapide n’est pas le seul argument de vente. En laboratoire, NanoGraf affirme que ses batteries au graphène présentent une augmentation de 50 % de la durée de fonctionnement par rapport aux batteries lithium-ion classiques, une baisse de 25 % de l’empreinte carbone et la moitié du poids nécessaire pour fournir la même puissance.

L’idée de base se résume à la chimie. Au fil des décennies, les fabricants de batteries en sont venus à préférer le lithium au silicium en raison de sa capacité électrique élevée. Mais le lithium présente deux problèmes majeurs. Il conduit mal l’électricité et a tendance à se déformer physiquement lorsqu’il se décharge, pour finalement se cisailler et se fissurer. Le mélange ou le revêtement du lithium avec du graphène – ou, plus récemment, des nanomatériaux apparentés comme les oxydes de graphène et les oxydes de graphène réduits – résout ces deux problèmes. Le graphène est hautement conducteur, permettant à l’électricité de circuler, et rigide, il aide donc le lithium à garder sa forme, permettant à la batterie de durer plus longtemps.

« Le graphène a une conductivité électronique très élevée, donc lorsque vous le mettez dans votre anode en silicium, la conductivité augmente vraiment », a déclaré à Futurism Christos Athanasiou, un ingénieur de l’Université Brown qui a publié des recherches sur les batteries en graphène. « Et le graphène a de très bonnes propriétés mécaniques – il est vraiment, vraiment solide. Donc, lorsque vous avez l’anode qui se dilate, le graphène entrave essentiellement ces variations de volume, de sorte qu’il ne permet pas à l’anode en silicium de se dilater autant pour qu’elle ne se brise pas. »

Autre avantage : parce que la robustesse du graphène accorde aux batteries tellement plus de cycles de vie qu’une batterie conventionnelle, disent les défenseurs, ils peuvent les « pousser » plus fort et les charger plus rapidement avec un courant électrique plus puissant. Elles se dégraderont plus rapidement, mais leur abondance de cycles de décharge leur confère tout de même une durée de vie plus longue que les batteries classiques.

Nanograf n’est pas la seule startup qui dit viser une batterie pratique en graphène. Samuel Gong, le PDG du concurrent Real Graphene, a déclaré à Futurism qu’il pense que la technologie de son entreprise pourrait recharger une voiture en bien moins d’une heure.

« Nous avons également un plus grand budget de cycles de vie que nous pouvons sacrifier parce que les gens ne gardent généralement pas leurs produits plus de quelques années, très probablement », a déclaré Gong. « Une batterie en graphène peut prendre beaucoup plus de punitions dans un sens, ce qui permet ce cycle de vie supplémentaire. Nous pouvons la pousser beaucoup plus fort. »

Le résultat, dit-il, est une batterie bon marché avec une densité d’énergie et des performances largement accrues.

« Je crois tout aussi important pour l’évolution de la technologie par rapport à quelque chose comme le plastique », a déclaré Gong, « où dans l’avenir, il pourrait être appliqué à presque tout. »

Les promesses sont énormes, mais en même temps, les revendications spécifiques peuvent commencer à sembler floues. Nanograf dit qu’il travaille déjà avec une entreprise d’outils électriques et une entreprise qui fabrique des batteries pour les véhicules électriques pour mettre sa technologie sur le marché, mais a dit qu’il ne pouvait pas nommer des partenaires spécifiques.

Et Gong nous a dit que Real Graphene pilote déjà des bus alimentés par des batteries au graphène à Shanghai, en Chine – mais lorsque nous lui avons demandé des détails sur le programme, comme qui fait fonctionner les bus et si les batteries tiennent leurs imposantes promesses techniques, il a refusé de commenter.

Dans un sens plus large, le graphène a été isolé pour la première fois en 2004. Pourquoi cette grande poussée pour le mettre dans tout maintenant ?

« Ces 15 à 20 dernières années, essentiellement toute la communauté du stockage de l’énergie a fait beaucoup de travail sur la façon de faire un bon matériau nanocomposite, comment faire en sorte que cette anode de graphène de silicium ait les propriétés souhaitées », a déclaré Athanasiou. « Ainsi, récemment, au cours des dernières années, il est devenu plus facile de fabriquer du graphène, et il existe d’autres nanomatériaux basés sur le graphène, comme l’oxyde de graphène. »

« Ces nanomatériaux offrent des propriétés encore meilleures », a-t-il ajouté. « L’oxyde de graphène se mélange mieux avec le silicium par exemple. Et puis il s’est avéré que lorsque vous utilisez de l’oxyde de graphène réduit, il offrait des propriétés encore meilleures. »

En d’autres termes, le graphène a été dans un état perpétuel de « juste prêt à révolutionner le monde » pendant des années. Mais avec des coûts de fabrication qui ont tendance à baisser, plusieurs startups ont déclaré à Futurism que leurs batteries seront en vente dans de petits appareils comme les outils électriques dès l’année prochaine. Après cela, ils prévoient d’être encore plus ambitieux.

« Les batteries qui vont dans les VE nécessitent des cycles de test extrêmement longs », a déclaré Breitenkamp de NanoGraf à Futurism. « Donc, vous pouvez imaginer, ces batteries doivent être testées pendant trois à quatre ans au minimum. Il ne s’agit pas de faire fonctionner notre technologie dans un VE dès maintenant. Nous croyons pleinement qu’elle le ferait, mais c’est une question de toute la validation nécessaire pour entrer dans un VE. »

« Ce n’est pas une question de savoir si cela fonctionne, c’est une question de combien de temps il faut avant qu’il obtienne le feu vert sur des choses comme la sécurité et la longévité », a ajouté Breitenkamp.

Il est possible que les batteries au graphène attirent l’intérêt au-delà de la communauté des startups. En fait, plusieurs experts interrogés pour cette histoire ont émis l’hypothèse que Tesla pourrait secrètement expérimenter la même technologie – bien qu’ils aient tous souligné que cette théorie n’était qu’une conjecture.

« Je n’ai aucun doute que Tesla travaille sur ce type de technologie », a déclaré Gong, ajoutant que la construction de chargeurs suffisamment puissants pourrait être un plus grand défi que la fabrication des batteries au graphène elles-mêmes.

« Ils le feront probablement, mais toutes ces choses sont super confidentielles », a déclaré Athanasiou. « Personne en dehors de l’entreprise ne le saurait vraiment. »

Tesla, qui a récemment dissous l’ensemble de son département de relations publiques, n’a pas répondu aux questions ou à la demande de commentaire de Futurism. Mais que Tesla travaille ou non sur des batteries au graphène, de nombreux défis techniques doivent être résolus avant qu’elles ne soient utiles en tant que produit de consommation.

Un problème pratique, selon Gong, serait que si un grand constructeur automobile réussissait à développer des batteries au graphène prêtes à être commercialisées, l’énorme tirage de la charge risquerait de submerger complètement l’infrastructure électrique.

« Le réseau électrique peut à peine gérer ce que nous avons en ce moment, du moins lorsque nous parlons de la région de la baie. C’est juste quelque chose que je ne peux pas vraiment voir se produire juste parce que c’est juste tellement de puissance », a déclaré Gong. « Il ne s’agit pas seulement de construire une centrale nucléaire et de dire que nous avons l’énergie. Il s’agit aussi de l’acheminement de l’énergie : si le câblage de la ville peut même gérer cette montée en puissance. »

Il y a aussi, tout le monde l’admet, encore des problèmes techniques qui doivent être résolus. L’un d’eux, dit Breitenkamp, est que pousser les batteries trop fort peut causer des problèmes comme le fluage dendritique – essentiellement un court-circuit interne. Mais de nombreux experts ont déclaré à Futurism que le fluage dendritique peut être résolu avec, vous l’avez deviné, plus de graphène.

Même si l’ajout de graphène bloque le fluage dendritique, il reste des problèmes de fabrication. Différentes entreprises utilisent différentes astuces pour effectivement revêtir ou mettre en œuvre des batteries en graphène, mais la cohérence est un défi quelle que soit la méthodologie.

En résumé, Athanasiou a déclaré que les scientifiques peuvent faire de très bons prototypes en laboratoire – mais passer à la production de masse de produits finis est un défi entièrement distinct.

« Ce que je peux vous dire, c’est que la science est là », a déclaré Athanasiou. « Cependant, sur le plan technologique, ce n’est pas encore prêt. Nous savons comment fabriquer ces graphènes de silicium nanocomposites, mais comment les rendre reproductibles – c’est un grand défi. »

Et, bien sûr, il y a le battage médiatique qui a poussé le graphène en avant et soutenu l’intérêt pour lui depuis sa découverte. Il a été transformé en vestes, présenté comme une source d’électricité infinie, et même comme un moyen de dessaler instantanément l’eau.

Cela tient en partie à la nécessité pour les scientifiques de susciter l’intérêt pour leur travail, a déclaré Greg Less, le directeur technique du Battery User Laboratory de l’Energy Institute de l’Université du Michigan. Mais il a également déclaré qu’il n’était pas sûr de l’utilité des batteries au graphène. Le graphène n’est pas l’expertise spécifique de Less, a-t-il précisé, mais il soupçonne qu’il pourrait disparaître comme une autre mode.

Il a cité les nanotubes de carbone – le « matériau miracle » d’antan – comme exemple. Les nanotubes de carbone sont essentiellement des morceaux de graphène enroulés en tubes, et de nombreuses affirmations audacieuses ont été faites sur la façon dont il révolutionnerait également la société.

 » sorte de matériau gee-whiz en ce moment « , a déclaré Less. « Y aura-t-il des améliorations ? Oui. Ces améliorations seront-elles suffisantes pour remplacer une option moins chère et plus disponible ? Probablement pas. Peut-être. Je ne sais pas. Je ne sais pas. »

En un mot, le battage médiatique autour du graphène obscurcit son avenir. Il est difficile de séparer l’utilité réelle du nanomatériau des efforts bien intentionnés qui finiront par échouer. Mais nous devons d’une manière ou d’une autre assainir notre environnement, et si nous voulons éviter les effets les plus dévastateurs du changement climatique, nous pourrions avoir besoin d’une ou deux solutions miracles. Si même une fraction de ce que les défenseurs du graphène disent être possible finit par se produire, ce sera effectivement une arme précieuse dans la lutte contre les combustibles fossiles.

« Nous sommes tout simplement excités de voir l’électrification devenir une réalité », a déclaré Breitenkamp du potentiel du graphène pour révolutionner les voitures électriques. « Au cours des dix dernières années, cela semblait en quelque sorte dans l’éther. La possibilité de fabriquer une voiture suffisamment abordable pour être installée dans le garage de tout le monde va changer beaucoup de choses. Cela va changer le récit sur le changement climatique et même les emplois. »

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