Futurologie des smartphones: la science derrière la batterie de votre prochain téléphone

Bienvenue sur Smartphone Futurology. Dans cette nouvelle série d'articles scientifiques, Nations mobiles contributeur invité (et bon gars à connaître) Shen Ye parcourt les technologies actuelles utilisées dans nos téléphones, ainsi que les éléments de pointe encore en cours de développement dans le laboratoire. Il y a pas mal de science à venir, car bon nombre des discussions futures sont basées sur des papiers avec une grande quantité de jargon technique, mais nous avons essayé de garder les choses aussi claires et simples que possible. Donc, si vous voulez approfondir le fonctionnement de votre téléphone, cette série est faite pour vous.

Avec 2014 maintenant une mémoire qui s'estompe et une nouvelle génération de combinés phares à l'horizon, il est temps de regarder vers l'avenir et de voir ce que nous pourrions voir dans les smartphones du futur. Nous lançons la série avec les technologies de batterie actuelles et futures, ainsi que quelques conseils pour vous aider à améliorer la longévité des batteries de vos appareils. La performance de la batterie - à la fois en longévité et en charge - est l'un des domaines de la technologie mobile dans lequel il existe encore beaucoup de place à l'amélioration, et il existe une multitude de technologies différentes en développement visant à faire juste cette. Continuez de lire pour en savoir davantage.

A propos de l'auteur

Shen Ye est un développeur Android et diplômé MSci en chimie de l'Université de Bristol. Attrapez-le sur Twitter @shen et Google+ + ShenYe.

Une introduction aux batteries au lithium

Les technologies de batteries rechargeables se sont constamment améliorées pour suivre l'énorme progrès dans les performances de l'électronique portable, ce qui en fait un sujet de recherche intensif dans le communauté scientifique. La grande majorité des batteries dans l'électronique portable utilise une chimie à base de lithium, la plus courante étant le lithium-ion (Li-ion) et le lithium-polymère (Li-po). Les batteries Li-ion ont remplacé l'utilisation de batteries rechargeables au nickel-cadmium (Ni-Cad) à la fin du XXe siècle¹ avec des capacités considérablement plus élevées et des réductions de poids. Les batteries Li-ion sont généralement produites en masse sous forme de piles bouton ou de longs cylindres métalliques (forme similaire et de la taille d'une pile AA) qui sont empilées et insérées dans des blocs-piles comme celui de votre téléphone. Cet emballage donne cependant un rapport batterie / volume inefficace. Les batteries Li-po ont été introduites quelques années plus tard en utilisant la même chimie, mais dans ce cas, le solvant liquide est remplacé par un composite polymère solide et la batterie elle-même est enveloppée dans une stratification en plastique au lieu d'un boîtier métallique rigide, ce qui lui donne un peu plus fléchir.

La plupart des batteries au lithium fonctionnent selon un processus chimique dans lequel les ions lithium (Li +) se déplacent de l'anode (positif électrode) à la cathode (électrode négative) à travers une solution d'électrolyte, libérant de l'électricité au circuit. (Et ainsi alimenter votre téléphone ou votre tablette.) Pendant la charge, le processus est inversé et les ions Li + sont absorbés par l'anode. La capacité d'une batterie est essentiellement dictée par le nombre d'ions Li + que l'anode peut absorber. Presque toutes les batteries au lithium modernes de qualité grand public ont des anodes en graphite, avec une surface très régulière pour maximiser l'absorption.

Schéma montrant comment une batterie lithium-ion se décharge, alimentant votre téléphone.

Cependant, les batteries au lithium se dégradent avec le temps, et ce processus est accéléré à des températures plus élevées, en particulier par l'augmentation de la température ambiante causée par la charge. (Sans parler en fait en utilisant votre appareil, qui génère également de la chaleur.) C'est l'une des raisons pour lesquelles il est avantageux d'utiliser un chargeur d'ampérage pour une charge de nuit, car une charge plus rapide entraîne une augmentation plus importante de la batterie Température.

Les batteries au lithium se dégradent avec le temps, et ce processus est accéléré à des températures plus élevées.

Ce processus de vieillissement est dû à des modifications chimiques et structurelles des électrodes, dont le mouvement des ions Li + peut au fil du temps endommager la surface hautement ordonnée des électrodes. Avec le temps, les sels de lithium qui composent l'électrolyte peuvent cristalliser sur les électrodes, ce qui peut obstruer les pores et empêcher l'absorption des ions Li +. La dégradation des batteries est communément appelée «efficacité coulombique», décrivant le rapport du nombre d'électrons extraits de l'anode au nombre d'électrons pouvant être introduits pendant mise en charge. Habituellement, une batterie doit avoir une efficacité coulombique de plus de 99,9% pour être commercialement viable.

Un problème majeur avec les batteries Li-ion et Li-po est le risque d'incendie en cas de surcharge, de surchauffe, de court-circuit ou de perforation. Les circuits de charge des appareils portables sont conçus pour éviter les trois premiers effets, mais s'ils échouent, cela peut être extrêmement dangereux² car il peut provoquer une accumulation de chaleur qui finit par déclencher un emballement thermique. (Pensez «boum!») Les crevaisons sont rares car les batteries ont tendance à être emballées à l'intérieur des appareils qu'elles alimentent, mais elles constituent également un danger potentiel³. Un facteur parfois négligé est la ventilation. La ventilation est nécessaire pour aider à dissiper la chaleur générée par la batterie et peut également empêcher l'accumulation de solvants inflammables en cas de fuite, réduisant ainsi le risque d'explosion.

Améliorations futures

Quelle est la prochaine étape pour les batteries au lithium? Des capacités plus élevées, des durées de vie plus longues, une sécurité améliorée et une charge plus rapide.

Les trois principales améliorations recherchées par les chercheurs sont des densités d'énergie plus élevées, une durée de vie plus longue, une meilleure sécurité et des taux de charge plus rapides. Avec la technologie Li-po actuelle, l'amélioration du matériau de l'anode augmente à la fois la capacité et la longévité de la batterie, des taux d'absorption plus élevés améliorer les vitesses de charge, un plus grand nombre de sites au lithium-ion augmente la capacité et un matériau d'anode plus résilient peut prolonger la batterie durée de vie. Parmi les autres domaines étudiés figurent l'électrolyte entre les électrodes et la réduction des coûts de production des composants individuels.

Composants non inflammables

Crédit d'image: NTSB

Les scientifiques recherchent activement des moyens de rendre les batteries au lithium plus sûres. L'un des incidents les plus récents qui a fait l'objet de beaucoup de publicité est un incendie qui a mis à la terre le Boeing 787 qui a été causé par la batterie au lithium polymère de l'avion. Plus tôt cette année, l'Université de Caroline du Nord a annoncé avoir découvert un remplaçant pour les solvants organiques hautement inflammables couramment utilisés dans les batteries au lithium, appelés perfluoropolyéther (PFPE)⁴. Les huiles PFPE ont été un lubrifiant industriel largement utilisé, mais le groupe a découvert que les sels de lithium pouvaient s'y dissoudre. Le groupe pense que le PFPE peut en fait dissoudre les sels de lithium mieux que certains actuellement utilisés solvants, qui réduiraient l'effet de cristallisation sur les électrodes et prolongeraient la batterie la vie. Il faut encore plus de tests et de planification avant de passer à la production de masse, mais attendez-vous à des batteries au lithium ininflammables très bientôt.

Les scientifiques recherchent activement des moyens de rendre les batteries au lithium plus sûres.

Une charge considérablement plus rapide pourrait être dans quelques années seulement.

Un groupe de recherche travaillant également sur les anodes à l'Université technologique de Nangyang a développé une batterie Li-ion qui peut être chargée à 70% en seulement deux minutes et capable de supporter plus de 10 000 cycles. Ceci est extrêmement intéressant pour les industries des véhicules mobiles et électroniques. Au lieu d'utiliser une anode en graphite, il utilise un gel de nanotubes de dioxyde de titane en titane. Le titane est un composé naturel de titane, c'est une substance très bon marché utilisée comme principal composant actif d'un écran solaire⁵ et peut également être trouvé dans une variété de pigments, vous pouvez même le trouver dans le lait écrémé car il améliore la blancheur⁶. Le dioxyde de titane a été testé en tant que matériau d'anode dans le passé, mais l'utilisation d'un gel de nanotubes augmente considérablement la surface afin que l'anode puisse absorber les ions Li + beaucoup plus rapidement. Le groupe a également observé que le dioxyde de titane était capable d'absorber plus d'ions Li + et était moins sujet à la dégradation que le graphite. Les nanotubes de titane sont relativement simples à fabriquer; l'oxyde de titane est mélangé avec de la lessive, chauffé, lavé avec de l'acide dilué et chauffé pendant encore 15 heures⁷. Le groupe a breveté la découverte, alors attendez-vous à voir la première génération de leurs batteries au lithium à charge rapide arriver sur le marché dans les deux prochaines années.

En attendant, des entreprises comme Qualcomm s'efforcent d'augmenter les vitesses de charge des batteries Li-ion existantes avec des efforts tels que QuickCharge, utilisant des puces de communication qui leur permettent de maximiser la charge d'entrée sans endommager le circuit interne ou surchauffer la batterie. Qualcomm QuickCharge peut être trouvé dans les téléphones Android actuels comme le HTC One M8, Nexus 6 et Galaxy Note 4.

Anodes au lithium

Crédit d'image: Université de Stanford

Récemment, un groupe de Stanford a publié un article⁸ dans lequel ils ont découvert qu'une fine couche de nanosphères de carbone pouvait permettre l'utilisation du lithium métal comme anode. C'est le «Saint Graal» des anodes, car une anode au lithium métal a environ 10 fois la capacité spécifique des anodes en graphite modernes. Les anodes au lithium précédentes n'avaient atteint que 96% d'efficacité, mais ont chuté à 50% sur 100 cycles de charge-décharge, ce qui signifie qu'elles ne conviennent pas à la technologie mobile. Mais l'équipe de Stanford a pu atteindre 99% après 150 cycles.

Les anodes au lithium ont quelques problèmes, y compris la tendance à former des excroissances ramifiées après quelques cycles de charge-décharge; De plus, ils peuvent exploser au contact de l'électrolyte. La couche de carbone est capable de surmonter ces deux problèmes. Bien que le groupe n'ait pas atteint l'objectif d'efficacité coulombique de 99,9%, ils pensent que quelques années de recherche supplémentaires dans le développement d'un nouvel électrolyte et des améliorations techniques supplémentaires pousseront leur batterie dans la masse marché. Le papier est une lecture intéressante avec des illustrations si vous pouvez y accéder.

Batteries au lithium flexibles

En plus des batteries, les écrans deviennent également flexibles. Crédit d'image: LG

Les batteries au lithium actuelles ne sont pas du tout flexibles, et essayer de les plier peut provoquer des changements structurels défavorables sur l'anode et diminuer la capacité de la batterie de manière permanente. Les batteries flexibles seraient idéales pour les appareils portables et autres appareils flexibles, un exemple étant la capacité pour prolonger la durée de vie de la batterie de votre smartwatch car le bracelet en cuir a un externe intégré batterie. Récemment, LG a montré un écran OLED qui pouvait être enroulé, où l'écran et les circuits étaient flexibles et le composant pliable manquant était la batterie. LG a présenté une batterie "pliable" incurvée son G Flex combiné, avec des cellules empilées afin d'éviter toute déformation; c'est le plus proche que nous ayons atteint d'une batterie «flexible» dans un smartphone grand public jusqu'à présent.

Plus tôt cette année, une société taïwanaise appelée ProLogium a annoncé et commencé la production de sa batterie flexible au lithium céramique polymère. La batterie elle-même est extrêmement fine et idéale pour être intégrée dans des vêtements portables et elle présente un avantage par rapport au Li-po normal, c'est-à-dire extrêmement sûr. Vous pouvez le couper, le percer, le court-circuiter et il ne fumera pas et ne prendra pas feu. L'inconvénient est qu'il est coûteux à produire en raison des processus impliqués dans la fabrication et que la capacité de stockage est assez terrible lorsqu'elle est mince. Vous le trouverez probablement dans des appareils très spécialisés - et peut-être quelques accessoires de batterie discrets - en 2015.

Un groupe du laboratoire national chinois de Shenyang⁹ ont progressé dans le développement d'alternatives flexibles pour chaque composant d'une batterie Li-po, mais il reste encore énormément de recherche et développement à faire avant qu'ils ne soient disponibles sur le marché. Son avantage par rapport à la batterie au lithium céramique polymère serait le moindre coût de production, mais la technologie devrait être transférable à d'autres technologies de batterie au lithium, telles que le lithium-soufre.

Lithium-Soufre

En s'éloignant du Li-ion et du Li-po, il existe deux cellules prometteuses à base de lithium, le lithium-soufre (Li-S) et le lithium-air (Li-air). Le Li-S utilise une chimie similaire au Li-ion, sauf que le processus chimique implique une réaction à deux électrons entre les ions Li + et le soufre. Le Li-S est un remplacement extrêmement attrayant pour les technologies actuelles car il est tout aussi facile à produire, a une capacité de charge plus élevée. Mieux encore, il ne nécessite pas de solvants hautement volatils qui réduisent considérablement le risque d'incendie court-circuit et crevaisons. Les cellules Li-S sont en fait proches de la production et sont en cours de test; sa réponse de décharge et de charge non linéaire nécessite un tout nouveau circuit de charge pour éviter une décharge rapide.

Lithium-air

De puissantes batteries lithium-air pourraient conduire des voitures électriques, mais la technologie en est encore à ses balbutiements.

Dans les batteries Li-air, la cathode de la cellule est l'air, ou plus précisément l'oxygène de l'air. Semblable aux batteries Li-S, la chimie du Li-air implique également une réaction à deux électrons, mais entre le lithium et l'oxygène. Pendant le processus de charge, les ions Li + se déplacent vers l'anode et la batterie libère de l'oxygène de la cathode poreuse. Il a été proposé pour la première fois dans les années 1970 pour une utilisation dans les véhicules électriques.

Les batteries Li-air peuvent théoriquement avoir une densité d'énergie plus élevée que l'essence¹⁰; à titre de comparaison le HTC One M8 La batterie de 2600 mAh peut stocker la même quantité d'énergie que celle libérée lors de la combustion un seul gramme d'essence. Malgré un financement important dans les batteries Li-air, de graves défis restent à résoudre, en particulier le besoin de nouvelles électrodes et électrolytes, car l'efficacité coulombique actuelle est épouvantable après seulement une poignée de cycles. Cela ne sera peut-être jamais possible dans les smartphones en raison de la nécessité d'une ventilation constante, mais beaucoup le considèrent comme le "Saint Graal du marché du véhicule électrique" même s'il faudra plus d'une décennie avant que vous le trouviez dans votre véhicule électrique voiture.

Magnésium-ion

S'éloignant complètement du lithium, les batteries magnésium-ion (Mg-ion) font également l'objet de nombreuses recherches. Les ions magnésium sont capables de transporter le double de la charge par rapport aux ions lithium. Une équipe taïwanaise effectuant des recherches sur les batteries Mg-ion a récemment déclaré EnergyTrend que le Mg-ion a une capacité 8 à 12 fois plus élevée que le Li-ion avec des cycles de charge-décharge 5 fois plus efficaces. Ils ont cité un exemple où un vélo électrique typique avec un Li-po prendrait 3 heures pour se recharger, tandis qu'une batterie au magnésium de la même capacité ne prendrait que 36 minutes. Il a également été mentionné qu'ils étaient capables d'améliorer la stabilité de la batterie en fabriquant les électrodes à partir de membranes de magnésium et de poudre de magnésium. Il faudra attendre quelques années avant que les batteries au magnésium ne soient utilisées dans le commerce, mais c'est certainement plus proche que certains autres candidats.

Batteries aux halogénures

Les batteries halogénure-ion (se concentrant principalement sur le chlorure et le fluorure) impliquent également la navette des ions, sauf que ces ions sont chargés négativement par opposition aux ions métalliques positifs mentionnés ci-dessus. Cela signifie que la direction de navette de charge et de décharge est inversée. En 2011¹¹, la proposition de batteries fluorure-ion a déclenché la recherche dans le monde entier. Le fluor est l'un des plus petits éléments au niveau atomique, donc théoriquement, vous pouvez en stocker beaucoup plus dans une cathode par rapport à des éléments plus grands et atteindre une capacité extraordinairement élevée. Les chercheurs doivent résoudre de nombreux défis avant que ceux-ci ne deviennent viables, en raison du fait que le fluor est très réactif et de sa capacité à extraire un électron de presque tout. Les systèmes chimiques appropriés nécessaires prendront du temps à se développer.

Une collaboration entre l'Institut de technologie de Karlsruhe en Allemagne et l'Université de Nanjing La technologie en Chine a mis au point une preuve de concept d'un nouveau type de batterie rechargeable à base de chlorure les ions¹². Au lieu de la navette d'ions métalliques positifs, cette batterie utilise des ions non métalliques chargés négativement. Le chlore est moins réactif que le fluor, mais il présente des problèmes similaires lorsqu'un système chimique doit être trouvé et raffinées avant qu'elles ne deviennent viables, alors ne vous attendez pas à trouver ces batteries dans votre smartphone pendant au moins un décennie.

Supercondensateurs

Un condensateur est similaire à une batterie, en ce sens qu'il s'agit d'un composant à deux bornes qui stocke de l'énergie, mais la différence est qu'un condensateur peut se charger et se décharger extrêmement rapidement. Les condensateurs sont généralement utilisés pour des décharges rapides d'électricité, comme le flash au xénon sur un appareil photo. Les processus chimiques relativement lents dans une batterie Li-po générale ne peuvent pas se décharger à des vitesses proches des mêmes vitesses. Ils fonctionnent également sur des principes complètement différents, les batteries se chargent en augmentant l'énergie d'un produit chimique le système et les condensateurs construisent des charges séparées sur deux plaques métalliques avec une substance isolante entre elles. Vous pouvez même construire un condensateur avec un morceau de papier entre deux feuilles de papier d'aluminium, mais ne vous attendez pas à charger quoi que ce soit avec!

Lors de la charge d'un condensateur, le courant provoque l'accumulation d'électrons sur la plaque négative, repoussant électrons loin de la plaque positive jusqu'à ce que la différence de potentiel soit la même que la tension contribution. (La capacité d'un condensateur est connue sous le nom de capacité.) La décharge d'un condensateur peut être incroyablement rapide. L'analogie de la nature pour un condensateur est la foudre, où vous avez une accumulation de charge entre le fond d'un nuage et la Terre (comme les deux plaques métalliques) et entre les deux se trouve un mauvais conducteur, l'air. Les nuages ​​ont une capacité considérable et l'énergie potentielle atteindra des millions de volts jusqu'à ce qu'elle atteint le point où l'air n'est plus un isolant approprié et conduit l'énergie du nuage vers le sol.

En regardant encore plus loin, les supercondensateurs pourraient un jour permettre à votre téléphone de se recharger en quelques secondes.

Le problème avec les condensateurs est qu'ils ne peuvent généralement pas stocker autant d'énergie dans le même espace qu'une batterie au lithium, mais le l'idée de pouvoir recharger votre téléphone en quelques secondes plutôt qu'en quelques heures est une idée qui a conduit la recherche supercondensateurs. Les supercondensateurs (également appelés ultracondensateurs) sont différents des condensateurs normaux car ils ont une capacité beaucoup plus grande en évitant l'isolant solide conventionnel et en s'appuyant sur des systèmes chimiques.

Une grande quantité de recherche est en cours pour intégrer des nanotubes de graphène et de carbone (graphène roulé dans un tube) dans les composants. L'Université Tsinghua a expérimenté des nanotubes de carbone pour améliorer la conductivité des nanofluides à utiliser comme électrolytes dans les supercondensateurs¹³. L'Université du Texas a étudié des processus de production de masse pour rendre le graphène adapté aux supercondensateurs¹⁴. L'Université nationale de Singapour étudie l'utilisation de composites de graphène comme électrodes de supercondensateur¹⁵. Les nanotubes de carbone ont une propriété inhabituelle où l'orientation de la structure atomique peut dicter si un nanotube est un conducteur, un semi-conducteur ou un isolant. Pour une utilisation en laboratoire, les nanotubes de graphène et de carbone sont toujours extrêmement chers, 140 £ (218 $) pour un 1 cm² feuille de graphène et plus de 600 £ (934 $) par gramme de nanotubes de carbone en raison de la difficulté de les fabriquer.

Les supercondensateurs sont loin d'être utilisés commercialement. Il y a eu démonstrations d'entre eux étant utilisés dans les smartphones, mais ces appareils sont encombrants. La technologie doit à la fois rétrécir en taille et devenir moins chère à produire avant d'être prête à être introduite sur le marché. En dehors de cela, la densité d'énergie élevée d'un supercondensateur chargé apporte la possibilité d'une décharge rapide qui pose un risque d'incendie grave lorsqu'il est utilisé dans des appareils.

Conseils pour améliorer la longévité de la batterie au lithium

• Les batteries au lithium ne nécessitent pas de conditionnement, où vous devez charger la batterie pendant 24 heures lors de la première charge.
• Laisser votre téléphone sur le chargeur une fois qu'il est chargé ne provoquera pas de surcharge, sauf dans de très rares cas où le circuit de charge fonctionne mal. Il n'est pas conseillé de laisser une batterie à 100% pendant de longues périodes.
• Utilisez la charge rapide avec parcimonie lorsque cela est possible, des températures plus élevées accélèrent la détérioration.
• Évitez de charger à des températures inférieures à zéro car une charge sous-gel peut provoquer une galvanoplastie irréversible de lithium métallique sur l'anode¹⁶.
• Évitez de décharger à 0%, c'est mauvais pour la durée de vie de la batterie.
• Stockez les batteries au lithium à ~ 40-50% pour réduire la détérioration, déconnectez-les également de l'appareil si possible.

La ligne du bas

Le lithium-soufre est le candidat le plus probable pour la prochaine génération de batterie de smartphone. Il est presque prêt pour la production de masse et a montré des résultats prometteurs en termes d'amélioration de sa capacité et de sa sécurité tout en étant relativement bon marché à fabriquer. Une fois que les anodes au lithium sont prêtes pour la production de masse pour un coût suffisamment bas, cela augmentera la durée de vie de la batterie, quel courant vêtements besoin sans être désagréablement grand. Il faudra plus d'une décennie avant de voir des supercondensateurs dans vos téléphones et tablettes - mais ne vous inquiétez pas, le dioxyde de titane les nanotubes aideront bientôt vos temps de charge (si le fabricant de l'appareil peut se permettre le coût supplémentaire par rapport au graphite ordinaire variantes).

Quelle que soit la manière dont ces technologies progressent, une chose est sûre: avec le temps, les problèmes actuels entourant la durée de vie, la capacité et la vitesse de charge de la batterie des smartphones devraient appartenir au passé.

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