Longtemps, scientifiques et ingénieurs ont cherché par tous les moyens à améliorer le rendement des systèmes de stockage d’énergie. Plusieurs pistes ont ainsi été explorées : augmenter leur capacité de stockage, réduire leur taille physique, concevoir des systèmes à charge rapide et même des systèmes hybrides tout-en-un, par exemple les modules hybrides batterie-ultracondensateur.

Notre dépendance accrue aux appareils électroniques dans notre vie quotidienne a créé le besoin de disposer de systèmes à meilleur rendement, plus compacts et à plus grande vitesse de charge. C’est ainsi que les développeurs se sont attelés à concevoir des appareils capables de fournir plus d’énergie à taille égale, voire avec un moindre encombrement. Cependant, de nombreuses méthodes conventionnelles de fabrication limitent la capacité des développeurs à concevoir des dispositifs plus petits et plus rentables. Afin d’y remédier, de nombreux scientifiques universitaires¹ et fabricants industriels se sont tournés vers les nanomatériaux. Le recours à la nanotechnologie a considérablement marqué la conception de ces systèmes au cours de ces dernières années, si bien que l’on voit aujourd’hui apparaître sur le marché des dispositifs de stockage d’énergie conçus à partir de nanomatériaux dont beaucoup sont intégrés à des produits de grande consommation.

L'impact de la nanotechnologie sur les dispositifs de stockage d’énergie

Les nanomatériaux possèdent des propriétés qui les rendent particulièrement intéressants pour une intégration dans une large gamme de dispositifs de stockage d’énergie. Ces propriétés sont de plus très diverses selon le nanomatériau utilisé, ce qui élargit à l’infini les possibilités d’amélioration des dispositifs.

L’un des principaux avantages qu’offrent certains nanomatériaux pour la conception de dispositifs de stockage d’énergie est la conductivité électrique élevée et la mobilité des porteurs de charge qui permettent de transporter et de stocker plus efficacement les électrons. Il est en outre tout à fait possible de renforcer les effets quantiques observés à l’échelle nanométrique dans certains nanomatériaux. Certains nanomatériaux possèdent en effets des puits quantiques – autrement dit des puits de potentiel énergétique – entre lesquels les électrons peuvent « tunneliser » pour peu que les puits soient suffisamment rapprochés les uns des autres. Cela signifie concrètement que les électrons peuvent traverser certains nanomatériaux sans être gênés par les liaisons chimiques qui composent le dispositif et donc sans perte d’énergie.

Les nanomatériaux sont également intrinsèquement compacts et/ou fins. Ils permettent par conséquent de répondre à la demande des consommateurs de disposer de dispositifs miniatures, sans perte de rendement. De même, par rapport aux matériaux couramment utilisés pour stocker – en fonction du dispositif – la charge et/ou les ions, les nanomatériaux présentent une surface active plus étendue.

Certains nanomatériaux possèdent d’incroyables propriétés isolantes et sont capables de résister à une chaleur élevée – bien supérieure à celle dégagée par les plus puissants appareils électroniques. Étant donné que les appareils électroniques ne cessent de produire plus de chaleur à chaque nouvelle génération technologique, ces nanomatériaux isolants s’avèrent non seulement utiles pour préserver les propriétés électriques de l’appareil, mais ils peuvent en plus servir à dissiper la chaleur à l’intérieur de celui-ci. Cette dernière propriété permet de réduire le risque d’apparition de points chauds à l’origine de détériorations localisées et, par conséquent, de prolonger la durée de vie utile de l’appareil.

Plusieurs types de nanomatériaux influent sur différents aspects des dispositifs de stockage d’énergie, de sorte qu’il n’est pas rare de voir des dispositifs de stockage d’énergie constitués de multiples nanomatériaux afin d’en améliorer différentes propriétés ou d’obtenir un meilleur rendement grâce à la synergie des nanomatériaux. Les développeurs ont ainsi souvent l’occasion de combiner les nanomatériaux afin d’en multiplier les avantages. Une technique consiste par exemple à empiler des nanomatériaux électriquement isolants (diélectriques) sur des nanomatériaux hautement conducteurs afin de réduire la déperdition d’énergie, de protéger les porteurs de charge électronique et, dans certains cas, de diriger plus facilement les électrons.

Ce que la nanotechnologie a changé

Les nanomatériaux sont désormais utilisés dans un certain nombre de systèmes de stockage d’énergie et en particulier dans les batteries. Des batteries contenant des nanomatériaux se trouvent aujourd’hui couramment dans le commerce. Le marché étant dominé par les batteries Li-ion, c’est évidemment dans cette catégorie que l’utilisation de nanomatériaux s’est le plus répandue, mais on en trouve également dans des batteries lithium-soufre (Li-S). Bien qu'ils soient le plus souvent utilisés dans l’électrode des batteries, les nanomatériaux sont aussi utilisés dans certaines batteries en tant qu'électrolyte, sous forme solide ou sous forme de gel.

Un autre domaine majeur, et en constante évolution, qui a su tirer profit de la taille réduite de ces batteries est celui des appareils électroniques portables et flexibles, ce que l’on appelle aussi les « wearables ». Outre des dispositifs autonomes, un certain nombre de textiles électroniques² en phase de développement devraient pouvoir être alimentés par des dispositifs de stockage d’énergie, ce qui n’est possible que grâce à la taille et à l’efficacité des nanomatériaux utilisés.

En dehors des batteries, la prochaine génération de supercondensateurs bénéficiera, elle aussi, des avantages de certains nanomatériaux. Encore en phase de développement, des modules hybrides batteries-supercondsateurs tentent de tirer parti des avantages de ces deux technologies tout en en supprimant les inconvénients.

Les dispositifs de stockage d’énergie sont d’ores et déjà utilisés dans de multiples technologies modernes et ceux qui reposent sur la nanotechnologie présentent un fort potentiel tant pour les systèmes miniatures (portatifs) que pour les systèmes plus conséquents comme l’alimentation des véhicules électriques. De fait, les nanomatériaux sont considérés comme l’une des solutions les plus prometteuses au problème des capacités de charge et de stockage d’énergie relativement médiocres de nombreuses batteries actuellement utilisées dans les véhicules électriques.

Ainsi, les dispositifs de stockage d’énergie reposant sur la nanotechnologie ont également beaucoup à offrir dans des systèmes plus imposants. C’est toutefois dans les appareils portables et portatifs qu’ils sont aujourd’hui le plus répandus. Citons par exemple un smartphone utilisé dans l’Internet des nano-objets (IoNT). L’IoNT exigeant par définition des capteurs plus petits, les batteries basées sur la nanotechnologie sont tout indiquées pour alimenter ce type de dispositifs avec pour champ d’application, par exemple, la détection médicale ou la surveillance environnementale.

Conclusion

De nombreux nanomatériaux ont des propriétés parfaitement adaptées à l’amélioration des performances, de la taille et des capacités de charge de nombreux dispositifs de stockage d’énergie. Avec une demande d’appareils plus compacts mais plus efficaces en constante augmentation, les nanomatériaux revêtent une importance croissante et ont d’ores et déjà atteint le marché de la grande consommation à travers des produits portatifs. Leur présence sur le marché devrait se confirmer et grandir à mesure que les fabricants de produits destinés aux particuliers adoptent la nanotechnologie.

Ressources

• 1. “Nanotechnology in Batteries (Nano Battery).” Consulté le 28 novembre 2022. https://www.understandingnano.com/batteries.html.

• 2. Berger, Michael. “Nanotechnology E-Textiles For Bio-Monitoring And Wearable Electronics.” Consulté le 28 novembre 2022. https://www.technicaltextile.net/articles/nanotechnology-e-textiles-for-bio-monitoring-and-wearable-electronics-3762.