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.

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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.

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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