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La science simplifiée : que sont les piles et comment fonctionnent-elles ?

2021-06-16

LES SUJETS:
Batterie, technologie, DOE, énergie, batteries Li-ion
Par le DÉPARTEMENT DE L'ÉNERGIE DES ÉTATS-UNIS LE 9 MAI 2021



Les batteries et appareils similaires acceptent, stockent et libèrent de l'électricité à la demande. Les batteries utilisent la chimie, sous forme de potentiel chimique, pour stocker de l'énergie, tout comme de nombreuses autres sources d'énergie quotidiennes. Par exemple, les bûches stockent l'énergie dans leurs liaisons chimiques jusqu'à ce que la combustion convertisse l'énergie en chaleur.

L'essence est une énergie potentielle chimique stockée jusqu'à ce qu'elle soit convertie en énergie mécanique dans un moteur de voiture. De même, pour que les batteries fonctionnent, l'électricité doit être convertie en une forme potentielle chimique avant de pouvoir être facilement stockée.

Les batteries se composent de deux bornes électriques appelées cathode et anode, séparées par un matériau chimique appelé électrolyte. Pour accepter et libérer de l'énergie, une batterie est couplée à un circuit externe. Les électrons se déplacent dans le circuit, tandis que simultanément les ions (atomes ou molécules avec une charge électrique) se déplacent dans l'électrolyte.

Dans une batterie rechargeable, les électrons et les ions peuvent se déplacer dans les deux sens à travers le circuit et l'électrolyte. Lorsque les électrons se déplacent de la cathode vers l'anode, ils augmentent l'énergie potentielle chimique, chargeant ainsi la batterie ; lorsqu'ils se déplacent dans l'autre sens, ils convertissent cette énergie potentielle chimique en électricité dans le circuit et déchargent la batterie. Pendant la charge ou la décharge, les ions chargés de manière opposée se déplacent à l'intérieur de la batterie à travers l'électrolyte pour équilibrer la charge des électrons se déplaçant dans le circuit externe et produire un système durable et rechargeable. Une fois chargée, la batterie peut être déconnectée du circuit pour stocker l'énergie potentielle chimique pour une utilisation ultérieure sous forme d'électricité.

Les batteries ont été inventées en 1800, mais leurs processus chimiques sont complexes. Les scientifiques utilisent de nouveaux outils pour mieux comprendre les processus électriques et chimiques des batteries afin de produire une nouvelle génération de stockage d'énergie électrique hautement efficace. Par exemple, ils développent des matériaux améliorés pour les anodes, les cathodes et les électrolytes des batteries. Les scientifiques étudient les processus dans les batteries rechargeables, car ils ne s'inversent pas complètement lorsque la batterie est chargée et déchargée. Au fil du temps, l'absence d'une inversion complète peut modifier la chimie et la structure des matériaux de la batterie, ce qui peut réduire les performances et la sécurité de la batterie.

Faits sur le stockage de l'énergie électrique
. Le prix Nobel de chimie 2019 a été décerné conjointement à John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham et Akira Yoshino « pour le développement de batteries lithium-ion ».
. Le génome de l'électrolyte du JCESR a produit une base de données informatique avec plus de 26 000 molécules qui peuvent être utilisées pour calculer les propriétés électrolytiques clés des nouvelles batteries avancées.

Bureau des sciences et du stockage de l'énergie électrique du DOE
Les recherches soutenues par le DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) ont permis d'améliorer considérablement le stockage de l'énergie électrique. Mais nous sommes encore loin des solutions complètes pour le stockage d'énergie de nouvelle génération utilisant des matériaux flambant neufs qui peuvent considérablement améliorer la quantité d'énergie qu'une batterie peut stocker. Ce stockage est essentiel pour intégrer les sources d'énergie renouvelables dans notre approvisionnement en électricité. Parce que l'amélioration de la technologie des batteries est essentielle à l'utilisation généralisée des véhicules électriques rechargeables, le stockage est également essentiel pour réduire notre dépendance au pétrole pour le transport.

BES soutient la recherche menée par des scientifiques individuels et dans des centres multidisciplinaires. Le plus grand centre est le Centre commun de recherche sur le stockage de l'énergie (JCESR), un centre d'innovation énergétique du DOE. Ce centre étudie les matériaux et phénomènes électrochimiques à l'échelle atomique et moléculaire et utilise des ordinateurs pour aider à concevoir de nouveaux matériaux. Ces nouvelles connaissances permettront aux scientifiques de concevoir un stockage d'énergie plus sûr, qui dure plus longtemps, se charge plus rapidement et a une plus grande capacité. Alors que les scientifiques soutenus par le programme BES réalisent de nouvelles avancées dans la science des batteries, ces avancées sont utilisées par les chercheurs appliqués et l'industrie pour faire progresser les applications dans les transports, le réseau électrique, les communications et la sécurité.