Quelques années Il y a quelques années, alors qu’il conduisait sur un tronçon d’autoroute entre Pittsburgh et San Francisco, Venkat Viswanathan a commencé à se sentir un peu existentiel. Son voyage se passait bien, presque trop bien, pensa-t-il. Il fredonnait pendant quelques centaines de kilomètres à la fois, s’arrêtant brièvement pour les repas ou pour admirer le paysage du début de l’été. C’était le grand road trip américain classique. Et ce n’était pas du tout remarquable qu’il le fasse dans une voiture électrique.
Viswanathan, scientifique à l’Université Carnegie Mellon, est un expert des batteries à haute densité d’énergie, des conceptions conçues pour emballer beaucoup de jus dans peu d’espace. Parfois, cela implique une chimie qui peut sembler presque fantaisiste ; l’unobtanium de la technologie de la batterie. Mais après cet été propulsé à travers le pays par une batterie totalement disponible, il a commencé à envisager une application différente pour son travail. « Je me disais, ‘Attends, qu’est-ce que je fais avec toutes ces nouvelles batteries que j’invente ?' » se souvient Viswanathan. « Qui va en avoir besoin ? » Il existait un autre moyen de voyager d’un océan à l’autre, réalisa-t-il, un moyen que les batteries étaient loin de décarboner : le vol.
Au cours des dernières années, l’industrie des batteries s’est largement concentrée sur les voitures, apportant des améliorations constantes et progressives à une approche scientifique particulière. Cela implique des ions lithium qui se déplacent entre une cathode composée de quelques oxydes métalliques – dont le nickel, le cobalt, le manganèse et le fer – et une anode en graphite. Cette recette classique est devenue plutôt bonne. Récemment, les batteries lithium-ion ont poussé l’autonomie des voitures particulières au-delà de 400 milles, à peu près aussi bonnes que de nombreux moteurs à combustion, et suffisamment pour surmonter «l’anxiété de l’autonomie» qui pourrait rendre certains conducteurs réticents à passer à l’électrique. Mais à mesure qu’elles approchent de la limite théorique de la quantité d’énergie qu’elles peuvent stocker, les batteries lithium-ion restent bien en deçà de ce qui est nécessaire pour la plupart des avions.
L’industrie aéronautique est aux prises avec ce problème depuis un certain temps. L’industrie contribue à environ 2% des émissions mondiales de carbone – un chiffre relativement faible, mais qui est sur le point de croître fortement à mesure que de plus en plus de monde prend son envol. (Seule environ une personne sur 10 prend l’avion chaque année, et une étude de 2018 a estimé que 1% de la population mondiale est responsable de la moitié des émissions de l’aviation.) Si ces avions vont devenir électriques, estime Viswanathan, les batteries auront besoin d’un repenser radicalement. Même les jets régionaux destinés à des sauts relativement courts nécessitent des batteries légères mais suffisamment puissantes. Ils ont besoin de suffisamment de puissance pour décoller, puis de suffisamment d’énergie pour naviguer en toute sécurité sur de longues distances. Il est possible que cela ne soit jamais pratique et qu’une aviation plus verte nécessitera d’autres approches, comme l’hydrogène ou le carburéacteur synthétique.
Ou en repensant certains fondamentaux de la batterie. La semaine dernière, avec d’autres experts en batteries et en aviation, Viswanathan a publié dans La nature ce qu’il considère comme un «appel au réveil» pour que l’industrie investisse dans la science fondamentale au-delà du déplacement des ions lithium. En particulier, les auteurs préconisent de nouvelles cathodes impliquant des matériaux plus exotiques, dont certains produisent ce que l’on appelle des réactions de conversion, qui déplacent plus d’électrons et peuvent potentiellement contenir plus d’énergie. C’est quelque chose que les gens n’ont pas vraiment envisagé depuis les années 1970, lorsque le cobalt a commencé à l’emporter. Le projet du Département américain de l’énergie s’est fixé pour objectif de construire une batterie pouvant contenir 500 wattheures d’énergie par kilogramme. Viswanathan et ses co-auteurs pensent que pour un cheval de bataille du ciel, comme le Boeing 737, nous devrons doubler cela, et nous aurons besoin de nouvelles chimies pour nous y rendre. « Nous essayons de déplacer le poteau de but », dit-il.
La batterie lithium-ion est une histoire d’amour chimique. Les ions lithium et les électrons, une fois séparés les uns des autres par une charge, cherchent toujours à se réunir. L’errance de ces électrons à travers une cellule de batterie est ce qui génère un courant. Mais en ce sens, le lithium est limité car il n’a qu’un seul électron à céder. En théorie, plus d’électrons se déplaçant signifieraient plus d’énergie, ce que d’autres éléments peuvent potentiellement offrir. Essayez l’iode, peut-être, ou le soufre ou le fluor, et vous pouvez faire bourdonner plus d’électrons.