Batteries quantiques : il est possible de repenser le stockage de l’énergie

Une bat­te­rie est un dis­po­si­tif qui stocke de l’éner­gie : une bat­te­rie quan­tique ne fait pas excep­tion, sauf qu’il s’a­git d’un sys­tème méca­nique quan­tique qui stocke l’éner­gie des pho­tons plu­tôt que des élec­trons et des ions, comme c’est le cas pour les bat­te­ries élec­tro­chi­miques conven­tion­nelles. Contrai­re­ment aux bat­te­ries nor­males, les bat­te­ries quan­tiques se chargent plus rapi­de­ment à mesure que leur taille aug­mente grâce à des effets quan­tiques tels que l’in­tri­ca­tion et la super­ab­sorp­tion – une pro­prié­té qui pour­rait s’a­vé­rer utile pour fabri­quer des dis­po­si­tifs de col­lecte de lumière plus effi­caces, comme les cel­lules solaires.

Plu­sieurs équipes de recherche dans le monde tra­vaillent sur le concept de la bat­te­rie quan­tique, qui a été for­mel­le­ment pro­po­sé pour la pre­mière fois il y a tout juste 10 ans par Robert Ali­cki de l’u­ni­ver­si­té de Gdańsk en Pologne et Mark Fannes de la KU Leu­ven en Bel­gique. Ces dis­po­si­tifs tirent par­ti des par­ti­cules quan­tiques, qui peuvent se trou­ver simul­ta­né­ment dans une super­po­si­tion de plu­sieurs états, contrai­re­ment aux par­ti­cules clas­siques qui ont des pro­prié­tés défi­nies. Les par­ti­cules quan­tiques peuvent éga­le­ment avoir un effet sur d’autres par­ti­cules iso­lées, l’é­tat de l’une influen­çant ins­tan­ta­né­ment l’é­tat des autres, quelle que soit la dis­tance qui les sépare. Ce phé­no­mène, connu sous le nom d’« intri­ca­tion », per­met à une bat­te­rie quan­tique de se rechar­ger plus rapi­de­ment, car plus le nombre de par­ti­cules intri­quées est éle­vé, plus ces par­ti­cules passent col­lec­ti­ve­ment et rapi­de­ment d’un état de basse éner­gie à un état de haute éner­gie¹.

 Les bat­te­ries quan­tiques pour­raient être exploi­tées pour amé­lio­rer l’efficacité des cel­lules solaires.

L’an­née der­nière, James Quach et ses col­lègues de l’u­ni­ver­si­té d’A­dé­laïde en Aus­tra­lie, et d’autres, ont démon­tré que ce concept fonc­tionne même si toutes les par­ti­cules quan­tiques des sys­tèmes ne pou­vaient pas être com­plè­te­ment intri­quées. Basée sur une ver­sion sim­pli­fiée d’un modèle créé par une équipe de l’Ins­ti­tut ita­lien de tech­no­lo­gie de Gênes², leur bat­te­rie com­prend des molé­cules d’un colo­rant orga­nique semi-conduc­teur, connu sous le nom de Lumo­gen F Orange, qui sont toutes iden­tiques et pos­sèdent un état de basse éner­gie et un état de haute éner­gie. Lors­qu’elle est expo­sée à une lumière d’une cer­taine lon­gueur d’onde, une molé­cule dans l’é­tat de basse éner­gie peut absor­ber un pho­ton et pas­ser à l’é­tat excité.

James Quach et ses col­lègues ont pla­cé les molé­cules entre deux miroirs très réflé­chis­sants, de la taille d’un micron, dans un dis­po­si­tif connu sous le nom de réflec­teur de Bragg dis­tri­bué (qui consiste en plu­sieurs couches alter­nées de maté­riaux diélec­triques). Ils ont ensuite char­gé ces molé­cules avec de la lumière laser. Pour s’as­su­rer que les molé­cules absorbent effi­ca­ce­ment les pho­tons, ils les ont sus­pen­dues dans une matrice de poly­mère inerte.

Les cher­cheurs ont ain­si obser­vé que la vitesse à laquelle la cavi­té miroir absor­bait la lumière – c’est-à-dire la vitesse à laquelle le sys­tème se char­geait – dépas­sait de loin ce qui serait pos­sible si chaque molé­cule absor­bait la lumière indi­vi­duel­le­ment sans aucune intri­ca­tion³. Cet effet est connu sous le nom de « super­ab­sorp­tion » et se pro­duit grâce au fait que toutes les molé­cules agissent col­lec­ti­ve­ment par super­po­si­tion quan­tique. Ils ont éga­le­ment consta­té que le temps de charge dimi­nuait à mesure qu’ils aug­men­taient la taille de la micro­ca­vi­té, et donc le nombre de molécules.

Avec un mil­liard de molé­cules sup­plé­men­taires, une bat­te­rie quan­tique four­ni­rait assez d’énergie pour éclai­rer une diode électroluminescente.

Comme tout autre sys­tème quan­tique, la bat­te­rie devra être iso­lée de son envi­ron­ne­ment avant de pou­voir être mise à l’é­chelle. Cela est dû à un phé­no­mène appe­lé « déco­hé­rence », qui est la tran­si­tion à par­tir de laquelle un sys­tème quan­tique com­mence à se com­por­ter comme un sys­tème clas­sique. À court ou moyen terme, il est donc peu pro­bable que les bat­te­ries quan­tiques puissent ali­men­ter des objets de grande taille comme des véhi­cules élec­triques. « Elles pour­raient tou­te­fois être exploi­tées pour amé­lio­rer l’ef­fi­ca­ci­té des cel­lules solaires en amé­lio­rant la cap­ture de l’éner­gie de faible lumi­no­si­té dans les maté­riaux pho­to­vol­taïques », explique James Quach. Dans ce contexte, une petite quan­ti­té de déco­hé­rence peut en fait être béné­fique pour le sto­ckage de la charge, car elle empê­che­rait les effets quan­tiques qui déchargent rapi­de­ment la batterie.

« Cepen­dant, nous avons encore beau­coup de tra­vail à faire avant de pou­voir exploi­ter la super­ab­sorp­tion de manière fiable en dehors du labo­ra­toire. », admet-il. « Par exemple, les cel­lules solaires et les camé­ras actuelles peuvent sto­cker l’éner­gie pro­ve­nant d’une large gamme de lon­gueurs d’onde, alors que notre bat­te­rie quan­tique ne peut absor­ber la lumière qu’à une lon­gueur d’onde spé­ci­fique. Nous sommes cepen­dant convain­cus que nous pou­vons faire évo­luer le sys­tème et pro­duire des dis­po­si­tifs faci­le­ment inté­grables dans les tech­no­lo­gies exis­tantes. »

Si, en prin­cipe, les bat­te­ries quan­tiques pour­raient contri­buer à la tran­si­tion éner­gé­tique, de nom­breux défis res­tent à rele­ver. L’un d’entre eux consiste à trou­ver un moyen de main­te­nir le bon niveau d’éner­gie qu’elles peuvent sto­cker et de le libé­rer de manière simple et fiable. 

Autre point, et pas des moindres : la cavi­té molé­cu­laire mise au point par James Quach et ses col­lègues ne stocke que des pho­tons de lumière. Pour conver­tir cette lumière en élec­tri­ci­té uti­li­sable, ils doivent incor­po­rer une couche conduc­trice dans laquelle les élec­trons des molé­cules char­gées peuvent être trans­fé­rés. De nom­breuses autres molé­cules devront éga­le­ment être ajou­tées dans le sys­tème. Avec un mil­liard de molé­cules sup­plé­men­taires, par exemple, une bat­te­rie quan­tique pour­rait être en mesure de four­nir suf­fi­sam­ment d’éner­gie pour éclai­rer une diode élec­tro­lu­mi­nes­cente. Ces dis­po­si­tifs pour­raient éga­le­ment être uti­li­sés dans de petits appa­reils élec­tro­niques comme des montres, des télé­phones, des tablettes ou des ordi­na­teurs por­tables – en fait, tout pro­duit qui a besoin de l’éner­gie stockée.

À terme, les cher­cheurs sou­haitent évi­dem­ment faire évo­luer leurs bat­te­ries. L’enjeu est de taille, car ces dis­po­si­tifs pour­raient ser­vir de petites sources d’éner­gie hors réseau et ali­men­ter les appa­reils de l’in­ter­net des objets (Inter­net of Things). Ils seraient simi­laires aux pan­neaux solaires et aux bat­te­ries actuels, mais comme les fonc­tions de charge et de sto­ckage sont logées dans un seul sys­tème, ils seraient plus simples à inté­grer et à utiliser.

« L’ob­jec­tif est de pro­duire de tels dis­po­si­tifs d’i­ci trois à cinq ans » pré­cise James Quach.

Isabelle Dumé