Une batterie ne fonctionne jamais mieux que la toute première fois que vous la chargez. C’est dans leur nature : Elles stockent de l’énergie pour nous, mais elles le font moins efficacement chaque fois que nous les rechargeons.
Non pas qu’il n’y ait pas des choses que nous pouvons faire pour que les batteries tiennent mieux la charge, comme des experts comme Venkat Srinivasan sont heureux de le conseiller. « N’utilisez pas votre ordinateur portable comme un ordinateur de bureau », dit-il. « Lorsqu’il est complètement chargé, débranchez-le. La batterie est déjà chargée, et nous insistons toujours pour charger de plus en plus. »
Alors qu’il disait cela, je ne pouvais m’empêcher de baisser nerveusement les yeux vers l’ordinateur portable sur lequel je transcrivais furieusement ses paroles. Bien sûr, il était branché. Bien sûr, il était comme ça depuis au moins hier, et bien sûr, ce qui était autrefois une batterie d’au moins deux heures d’autonomie était maintenant probablement tout au plus une demi-heure débranchée. Avec un peu de chance, Srinivasan ne pouvait pas se rendre compte de ma mauvaise gestion des batteries rien qu’en parlant avec moi.
Srinivasan est l’un des principaux chercheurs qui explorent la science des batteries à l’Argonne National Laboratory, situé à une demi-heure au sud-ouest de Chicago. Il connaît toutes les astuces pour éviter qu’une batterie de téléphone ou d’ordinateur portable ne perde sa capacité à tenir une charge. Le principal secret, dit-il, est de ne jamais charger votre appareil à fond.
« La meilleure chose à faire est d’aller jusqu’à 70 % ou 80 % de charge, de ne pas aller au-delà, et de rester en quelque sorte dans cette fourchette », dit-il. La raison de ce conseil réside dans la structure chimique de la batterie lithium-ion qui alimente la plupart des appareils électroniques grand public et, de plus en plus, les véhicules électriques. Les actes de charge et de décharge d’une batterie peuvent provoquer l’expansion et la contraction de ses matériaux, ce qui soumet l’ensemble de la batterie à des contraintes et réduit sa durée de vie.
Si vous laissez une batterie de téléphone fonctionner jusqu’à ce qu’elle soit à plat, puis que vous la rechargez entièrement à 100 %, elle pourrait n’avoir que quelques centaines de cycles avant de cesser de fonctionner. Quelqu’un qui s’engage de manière absurde à maintenir les oscillations d’une batterie minuscules – disons entre 75 et 78 pour cent – pourrait arracher jusqu’à 300 000 cycles, selon les calculs de Srinivasan.
Srinivasan admet que ce genre de gestion précise de la batterie va presque certainement être plus de problèmes que cela ne vaut la peine pour la plupart des gens, il recommande donc une approche plus simple pour que les batteries tiennent leur charge.
Au delà des préoccupations structurelles, pourquoi est-il si dommageable pour une batterie de la garder complètement chargée, ou même simplement de la charger à fond ?
La réponse réside dans les environnements microscopiques impitoyables et volatiles à l’intérieur de ces centrales électriques portables. Dès leur première charge, les batteries livrent une bataille perdue d’avance contre leur propre chimie.
Les batteries rechargeables comme celles d’un téléphone ou d’un ordinateur portable génèrent du courant électrique à partir du mouvement entre les électrodes de particules chargées, ou ions, de l’élément lithium – c’est pourquoi nous les appelons batteries lithium-ion.
Lorsqu’une batterie se décharge, les particules se déplacent de l’électrode négative vers l’électrode positive, également appelées respectivement anode et cathode. Le processus s’inverse pendant la charge. Dans les batteries lithium-ion, l’anode est généralement constituée d’un composé de carbone électriquement conducteur comme le graphite, tandis que la cathode est constituée d’un composé à base de lithium qui peut absorber et libérer les ions lithium.
C’est là que le problème commence si, par exemple, un téléphone reste branché toute la nuit. Les ions réagissent avec la cathode dans un processus chimique appelé oxydation, qui consomme une partie du lithium de la batterie. Plus ces réactions se prolongent, plus le nombre de particules nécessaires au maintien du courant de la batterie diminue. Il ne faut pas autant de temps pour décharger les particules, ce qui signifie que la batterie se vide beaucoup plus rapidement qu’auparavant. Le problème peut s’aggraver si la batterie est chargée à un rythme trop rapide, ce qui sape également sa capacité.
Les batteries sont confrontées à des périls qui vont au-delà de la surcharge, car l’environnement chimique se dégrade inexorablement, même si vous êtes toujours parfaitement attentif au moment de débrancher votre téléphone.
« Avec les ions lithium, certains d’entre eux se perdent », explique le spécialiste des matériaux Michael Toney, chercheur au SLAC National Accelerator Laboratory, près de l’université de Stanford. « Ils restent coincés à des endroits où ils ne sont plus capables de faire la navette entre l’anode et la cathode. Des parties de l’anode ou de la cathode sont électroniquement déconnectées du collecteur de courant. C’est la partie de la batterie qui recueille les électrons qui vont et viennent lorsque vous chargez et déchargez la batterie. »
Les ions de lithium voyagent entre les électrodes à travers des produits chimiques liquides appelés électrolytes. Ces électrolytes sont essentiels à l’ensemble du fonctionnement, mais ils subissent également des réactions avec l’anode qui réduisent la durée de vie de la batterie.
« La nature, malheureusement, veut que cette réaction se produise, donc elle se produira », a déclaré Srinivasan. Tout ce que les concepteurs de batteries peuvent faire, c’est essayer de maintenir cette réaction au minimum. « Mais ce n’est pas parfait. Cela revient à vous mordre. »
Pour autant, aussi délicates que puissent être les batteries au lithium-ion, la plupart des gens ne vont probablement pas remarquer un trop gros problème, simplement parce qu’ils ne gardent pas leur téléphone ou leur ordinateur portable assez longtemps pour que la situation de charge devienne vraiment catastrophique. Il peut y avoir une résignation presque inconsciente que, oui, il est temps d’abandonner et d’utiliser votre ordinateur portable comme un ordinateur de bureau branché en permanence, ou un sentiment vague que votre téléphone ne semble pas avoir la durée de vie de la batterie annoncée. Mais à moins que vous ne prévoyiez de garder vos appareils électroniques bien au-delà de trois ans, ce ne sera pas un si gros problème.
Mais qu’en est-il des voitures électriques, qui fonctionnent avec des versions beaucoup plus grandes de batteries lithium-ion similaires ? La plupart des gens qui déboursent plus de 70 000 $ pour une voiture Tesla voudront que la batterie tienne la charge pendant plusieurs années, peut-être même une décennie ou plus. En fait, les véhicules électriques présentent des problèmes uniques de gestion de la charge que les appareils électroniques ménagers ne présentent pas.
« En général, si vous appuyez sur l’accélérateur, vous voulez que la voiture réagisse de manière appropriée », a déclaré Toney. « Donc, cela peut conduire la batterie très fort pendant une courte période de temps. Ce n’est pas typiquement le genre de décharges que vous verrez dans un ordinateur portable ou un téléphone mobile. »
A part l’utilisation régulière, toutes les batteries sont sensibles aux fluctuations de température, certaines batteries de téléphone ou d’ordinateur portable étant programmées pour s’éteindre automatiquement si elles deviennent trop chaudes. Une batterie Tesla, qui équivaut à peu près à 8 000 batteries de téléphones portables, peut devenir beaucoup plus chaude pendant son utilisation. Et il est possible que la station de recharge se trouve dans un endroit frais, créant un écart de température potentiellement dangereux.
Il y a aussi la question de la rapidité avec laquelle un véhicule électrique doit se recharger. Pour l’instant, de nombreux conducteurs de voitures électriques se contentent de charger leur véhicule pendant la nuit, ce qui signifie que la batterie de la voiture peut se recharger à un rythme lent et sûr. Mais toute infrastructure future pour les voitures électriques va avoir besoin de l’équivalent des stations-service – des endroits où les conducteurs peuvent faire le plein lors de longs trajets.
« Idéalement, nous aimerions que les véhicules électriques se rechargent en plus ou moins 15 minutes, ce qui correspond au moment où vous imaginez quelqu’un se garant dans une station de recharge, allant aux toilettes, prenant une boisson, et il est chargé prêt à partir », a déclaré Toney. « Cela consomme beaucoup d’énergie, et les batteries ne sont pas encore capables de gérer cela. Elles ne se chargent pas à pleine capacité. Si vous essayez de recharger votre batterie à ce rythme, elle tombera rapidement en panne. »
La batterie lithium-ion est une invention remarquable, qui a contribué à des révolutions technologiques dans la façon dont nous utilisons les ordinateurs, les téléphones, et éventuellement les voitures. Mais la même chimie interne qui les rend si idéales pour alimenter nos appareils indispensables signifie également que leur temps est intrinsèquement limité.
Parvenir à ce que les batteries tiennent une charge plus longtemps est l’un des nombreux problèmes fondamentaux que les scientifiques de la batterie cherchent à saisir, que cela signifie améliorer la configuration qui existe déjà ou créer quelque chose de nouveau et meilleur.
En attendant, envisagez de suivre le conseil de Srinivasan : « Au moins, ne laissez pas votre ordinateur portable branché ! ». Du moins pour ceux d’entre nous qui n’ont pas déjà complètement ruiné la vie de la batterie de leur ordinateur, c’est à dire.