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Ordinateur quantique

Pourquoi n’avons-nous pas encore de voiture électrique avec des batteries quantiques ?

À cause de problèmes technologiques ! En effet, le phénomène de décohérence qu’il faudrait maîtriser relègue son utilisation pour les voitures électriques à un futur très hypothétique. Et d’autre part, les principaux systèmes envisagés pour le moment stockent de l’énergie optique et non électrique. En revanche, des pistes de stockage conventionnel plus sûr, plus autonome et plus durable telles que les batteries tout solides ou à semi-conducteurs, qui tirent parti de modélisations quantiques des matériaux, sont explorées.

>> Voici la batterie à sable, le premier système de stockage de l’électricité sous forme de chaleur au monde !

Mais le climat, ça urge ! Si le véritable plan ORSEC a du mal à sortir des cartons, quelques mesures émergent cependant. Que fait-on, par exemple, pour lutter contre les 12 % de gaz à effet de serre émis par les voitures ? L’Europe, elle, a misé sur la voiture électrique avec 100 % des thermiques éradiquées en 2035. La France, qui a longtemps « sponsorisé » les moteurs diesel semble faire un petit pas de côté avec sa stratégie hybride. Le fait est, les constructeurs automobiles et la R&D, privée comme publique, sont sur le pont.

Le saint Graal ?

Rendre les véhicules électriques aussi performants que les véhicules thermiques. Pour y arriver, la course à la batterie bat son plein. Le mégajackpot reviendra à celui qui lui confèrera la plus grande autonomie et le temps de charge le plus court. Depuis la première voiture commercialisée dans le monde par Nissan avec la Leaf, le temps de charge est passé de 24 heures à 12 puis à 6 heures. L’objectif lune serait d’atteindre « le temps d’un plein ». Focus sur les enjeux du stockage de l’énergie et les verrous technologiques des batteries.

L’épopée de la voiture électrique 

Le premier véhicule électrique était… une calèche ! Ce prototype a été conçu par un homme d’affaires écossais en 1830. Avec l’invention de la batterie rechargeable, New York voit ses rues sillonnées en 1922 par des taxis électriques. Mais l’essence bon marché et l’avènement des modèles thermiques de Ford la relèguent au second plan pendant presque 40 années.

Il ne faut pas moins qu’un choc pétrolier, en 1973, pour la sortir de l’oubli. Elle regagne ses « galons » au fur et à mesure que se développe une conscience écologique. En 1997, General Motors lance l’EV1. D’autres constructeurs le suivent, mais les projets sont abandonnés faute d’acheteurs. Pourquoi ? Le principal défaut de sa cuirasse est sa faible autonomie et son coût. Il faudra attendre 2008 pour le lancement de la Leaf 100 % électrique de Nissan et des modèles toujours plus innovants de Tesla. Depuis 2010, la course est (re) lancée et le marché est, cette fois-ci, au rendez-vous !

(source : BEQ Technology.com)

Voiture électrique avec une batterie quantique : sur le papier, ça marche

Ces dernières années ont marqué l’essor du développement de l’ordinateur quantique, et avec, la promesse d’une démultiplication de la puissance de calcul. Alors, pourquoi pas une technologie quantique qui démultiplierait la vitesse de chargement des batteries ? Une équipe coréenne vient de modéliser la charge d’une batterie quantique versus une batterie classique. Leurs résultats, publiés dans la revue Physical review letters en avril 2022, montrent que la vitesse serait 200 fois plus rapide.

« Pour obtenir cet avantage quantique, les scientifiques ont regardé si les n cellules qui composent une batterie devaient dialoguer deux à deux ou si chacune devait dialoguer avec toutes les autres en même temps, en opération globale. Leurs équations ont validé la deuxième hypothèse. Alors qu’avec n cellules, la vitesse de chargement d’une batterie classique serait proportionnelle à n, pour la batterie quantique, elle varierait en n2. Ces recherches sont très intéressantes, mais pour l’instant, la charge quantique des voitures électriques réduite au temps d’un plein d’essence reste de la pure science-fiction. Et pour cause, les applications font face à un verrou technologique de taille, celui de conserver la cohérence quantique tout en chargeant et déchargeant. », explique Brigitte Leridon, chercheuse CNRS au laboratoire de physique et d’étude des matériaux à l’ESPCI Paris.

Les batteries classiques sont constituées de cellules chimiques, l’équivalent de nos piles, assemblées et reliées au circuit électrique en parallèle. La vitesse de chargement est donc directement proportionnelle au nombre de cellules. En reliant toutes les cellules de la batterie quantique entre elles, la vitesse de chargement est proportionnelle à n2.

Un problème de taille : maintenir la cohérence quantique

Vous êtes intriqué, pardon, intrigué ? Bienvenue dans le monde « magique » et complètement contre-intuitif de la physique quantique ! Imaginez une émoticône version quantique : elle serait à la fois souriante, grimaçante, tirerait la langue, clignerait de l’œil, vomirait ou pleurerait. Ce ne serait plus une simple image, mais un GIF animé de tous ces états superposés. Et sans œil bio-ionique, vous ne verriez, au fond, qu’un rond jaune.

Les physiciens parlent d’intrication des états quand vous vous retrouvez en visio devant un mur d’émoticônes .gif connectées. Selon Brigitte Leridon : « Toute la difficulté pour les ordinateurs comme pour les batteries est de maintenir la cohérence des systèmes quantiques. Pour que cela fonctionne, tous les objets quantiques (ici les cellules de la batterie) doivent rester dans un même état quantique intriqué. Ils doivent collaborer, en quelque sorte. Or, lorsqu’un système quantique entre en interaction avec le milieu extérieur, lors d’une charge ou décharge (dans le cas de la batterie) nous avons un risque de décohérence, qui ferait perdre l’avantage quantique. Toute la recherche aujourd’hui porte sur la maîtrise de ces aspects ».

Vers la superabsorption quantique

Hormis ces modélisations théoriques, une publication australienne fait état d’une avancée expérimentale. Des chercheurs de l’Université d’Adélaïde ont fabriqué une nanobatterie quantique. Dans des microcavités, ces derniers ont placé des molécules de colorants, des semi-conducteurs organiques, qu’ils ont excitées avec un laser. Ils ont constaté que ces molécules absorbaient davantage d’énergie par molécule et se « chargeaient » plus vite quand elles se trouvaient dans le même état quantique (la même microcavité).

« Mais, là encore, nous sommes encore loin d’une application pour les batteries de voitures électriques. Dans cette expérience de laboratoire, les chercheurs ont stocké de l’énergie lumineuse et non de l’électricité. Imaginez, toutes les stations-service devraient s’équiper de lasers et nous devrions inventer un moteur à énergie lumineuse ! Je pense qu’il est plus probable, vu la deadline de 2035, de parier sur le développement de systèmes plus conventionnels. La R&D se tourne notamment vers des systèmes de stockage d’énergie électrique innovants et sûrs, comme des batteries tout-solide, tout en utilisant la modélisation quantique de ces matériaux », conclut la physicienne.

Panorama des batteries en course

La batterie lithium-ion

  • Elle est massivement utilisée pour les voitures électriques.
  • Son + : la meilleure performance en autonomie, importante durée de vie, densité d’énergie supérieure aux autres technologies
  • Son – : problèmes d’explosion, le lithium est rare, cher, extrait en Chine parfois par des enfants et toxique. Le nickel et le cobalt sont également chers et toxiques.
  • Les recherches en cours : optimisation sur la densité d’énergie, changement d’électrode d’intercalation

La batterie sodium-ion

  • Point + : le sodium est abondant (dans la mer)
  • Point – : densité d’énergie plus faible, supporte mal les charges à répétition
  • Au stade de développement.

La batterie tout solide

  • L’électrolyte liquide est remplacé par un composé inorganique solide qui permet la diffusion des ions lithium.
  • Son + : meilleure sécurité, plus dense et plus légère, meilleure durée de vie
  • Son – : Les chercheurs travaillent sur les verrous technologiques aux interfaces. Elle n’en est qu’au stade du prototype de laboratoire.

Les batteries à semi-conducteurs

  • L’anode est un métal comme le lithium.
  • Son + : plus sûr, 2x plus d’autonomie que les lithium -ion, faibles taille et poids
  • Son – : utilisation de métal rare et cher, pas assez pour la production de voiture électrique
  • La technologie est presque prête, mais la production nécessite des machines et des techniques différentes qui retardent son arrivée sur le marché (après 2025). De plus, il n’y a pas assez de lithium brut dans le monde.
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