Batteries silicium-carbone : le secret de votre prochain téléphone portable

Vos appareils vont bientôt durer plus longtemps et se recharger plus rapidement grâce à une nouvelle technologie : les batteries silicium-carbone. Présentes dans les derniers smartphones haut de gamme et les voitures électriques innovantes, ces batteries lithium-ion promettent de révolutionner l'énergie portable. Nous vous expliquons leur fonctionnement et leurs défis.

Dans la quête incessante d'autonomie accrue et de temps de charge réduits, une nouvelle technologie de batterie émerge discrètement et devient la norme pour la prochaine génération d'appareils électroniques et de véhicules électriques. Il s'agit des batteries silicium-carbone (Si/C), une évolution des batteries lithium-ion omniprésentes, déjà présentes dans certains des smartphones phares les plus avancés et des voitures électriques de pointe comme celles de la marque Lucid.

Cette technologie promet une densité énergétique accrue, permettant d'obtenir des batteries plus petites et plus légères à capacité égale, ou des batteries de même taille avec une durée de vie nettement supérieure. Cependant, sa mise en œuvre n'est pas sans défis techniques.

Une batterie lithium-ion classique fonctionne en déplaçant les ions lithium entre deux électrodes : une cathode (généralement constituée d'un composé de lithium) et une anode (généralement en graphite). L'innovation des batteries Si/C réside précisément dans l'anode. Au lieu d'utiliser du graphite pur, on utilise un composé associant silicium et carbone.

La raison est simple : le silicium possède une capacité théorique de stockage du lithium jusqu'à dix fois supérieure à celle du graphite. Cela signifie qu'une anode en silicium peut contenir beaucoup plus d'ions, ce qui se traduit directement par une plus grande capacité de la batterie.

Si le silicium est si supérieur, pourquoi n'a-t-il pas été largement utilisé jusqu'à présent ? La réponse réside dans son principal inconvénient : la dilatation volumique. Lorsqu'une anode en silicium est complètement chargée, elle peut gonfler jusqu'à 300 % de sa taille initiale.

Cette expansion extrême fait des ravages sur la structure interne de la batterie :

• Dommages structurels : le gonflement provoque des fissures et des fractures dans le matériau de l’anode.

• Dégradation rapide : à chaque cycle de charge et de décharge, la couche protectrice de l'anode (appelée interface électrolyte solide ou SEI) se décompose et se reforme, consommant du lithium et réduisant rapidement la capacité de la batterie.

• Durée de vie raccourcie : Par conséquent, une batterie avec une anode en silicium pur aurait une durée de vie très courte, la rendant non viable pour les produits de consommation.

C'est là que le carbone entre en jeu. En créant un composite silicium-carbone, le carbone agit comme une sorte de matrice structurelle, ou « corset », qui atténue la dilatation du silicium. Alors qu'une anode en graphite traditionnelle se dilate d'environ 10 %, une anode Si/C bien conçue peut limiter le gonflement à 10-20 %, selon la quantité de silicium qu'elle contient.

Le carbone améliore également la conductivité électrique, qui est plus faible dans le silicium, garantissant un flux d'ions lithium plus efficace et permettant des vitesses de charge plus rapides.

Les batteries en silicium ont l'air impressionnantes, mais leur durée de vie est limitée. Le composite silicium-carbone permet d'atténuer ces inconvénients. – Android Authority Review

La solution composite Si/C n'est pas parfaite. Le prix à payer pour contrôler le gonflement est que la capacité théoriquement décuplée n'est pas atteinte. En pratique, les batteries Si/C actuelles offrent une augmentation de la densité énergétique de 10 à 20 % par rapport aux batteries graphite.

Par ailleurs, des questions subsistent quant à leur longévité. Malgré l'apport du carbone, les contraintes mécaniques restent plus importantes que pour les batteries traditionnelles. Cela pourrait signifier que les batteries Si/C, notamment celles à forte teneur en silicium et nécessitant des charges rapides et fréquentes, devront être remplacées plus régulièrement. Ce facteur, conjugué à leur coût de fabrication actuel plus élevé, est un aspect à prendre en compte par les consommateurs.

Malgré les défis, la technologie silicium-carbone est là et représente la prochaine étape logique du stockage d'énergie portable. Elle permet aux fabricants de concevoir des téléphones plus fins sans compromettre l'autonomie de la batterie, ou de l'augmenter sans alourdir les appareils. Pour les voitures électriques, cela signifie plus de kilomètres par charge, un facteur crucial pour atténuer les inquiétudes liées à l'autonomie. Avec les progrès de l'ingénierie des matériaux, nous verrons probablement apparaître des composites Si/C de plus en plus stables et performants, consolidant cette technologie comme la nouvelle référence dans le monde des batteries.