Du carburant liquide pour les futurs ordinateurs

Des chercheurs de l'ETH Zurich et d'IBM Research à Rüschlikon ont créé une minuscule batterie de flux. Celle-ci permettrait à l'avenir d'alimenter en énergie et de refroidir en même temps des piles de puces informatiques, dans lesquelles les différentes puces sont superposées pour gagner de la place. Dans une batterie à flux, une réaction électrochimique permet d'obtenir du courant à partir de deux électrolytes liquides. Ceux-ci sont pompés de l'extérieur dans la cellule de la batterie via un circuit de conduites.

"Les puces fonctionnent pour ainsi dire avec un carburant liquide et produisent leur propre électricité à partir de celui-ci", explique Dimos Poulikakos, professeur de thermodynamique à l'ETH Zurich. Comme les scientifiques utilisent deux liquides dont on sait qu'ils conviennent aussi bien comme électrolyte de batterie de flux que comme réfrigérant, le même circuit permet également d'évacuer la chaleur excédentaire de la pile de puces.

La batterie construite par les scientifiques ne mesure qu'environ 1,5 millimètre d'épaisseur. L'idée serait de construire des piles de puces par couches : une puce d'ordinateur, par-dessus la fine microcellule de batterie qui alimente la puce en électricité et la refroidit, puis la puce d'ordinateur suivante et ainsi de suite.

Une performance record

Jusqu'à présent, les batteries au fil de l'eau (voir encadré) sont énormes et surtout utilisées comme grands accumulateurs, par exemple en association avec des centrales éoliennes et solaires, pour y stocker temporairement l'énergie produite afin de pouvoir l'utiliser en différé. "Nous sommes les premiers scientifiques à construire une batterie fluviale aussi petite, afin de combiner alimentation électrique et refroidissement", explique Julian Marschewski, doctorant dans le groupe de Poulikakos.

En outre, la puissance de la nouvelle micropile bat des records par rapport à sa taille : elle est de 1,4 watt par centimètre carré de surface de pile. Si l'on déduit de cette valeur la puissance nécessaire pour pomper les électrolytes liquides vers la batterie, la densité de puissance nette reste de 1 watt par centimètre carré.

Comme les chercheurs l'ont en outre montré lors de l'expérience, les liquides électrolytiques sont effectivement en mesure de refroidir une puce : Ils sont même en mesure d'évacuer un multiple de l'énergie thermique que la batterie ne convertit en énergie électrique (et qui est transformée en énergie thermique lors du fonctionnement de la puce).

Système de canaux optimisé par impression 3D

Selon les scientifiques, le plus grand défi lors de la construction de la nouvelle micro-batterie fluviale a été de la concevoir de manière à ce qu'elle soit alimentée en électrolyte le plus efficacement possible tout en maintenant la puissance de pompage à un niveau aussi bas que possible. "Il s'agissait de trouver le meilleur compromis possible", explique Marschewski.

Les réactions électrochimiques dans la batterie ont lieu dans deux couches d'électrodes minces et poreuses, séparées par une membrane. Marschewski et ses collègues ont construit un système de canaux en polymère par impression 3D afin de presser le plus efficacement possible le liquide électrolytique dans la couche poreuse de l'électrode. Parmi plusieurs modèles étudiés, le plus approprié s'est avéré être celui composé de canaux convergeant en forme de c?ne.

Aussi intéressant pour les grands systèmes

Les scientifiques ont maintenant fourni une première preuve de faisabilité pour la construction d'une petite batterie de flux. Bien que la densité de puissance de la nouvelle pile à flux soit très élevée, le courant qu'elle produit n'est pas encore tout à fait suffisant pour alimenter une puce informatique. Pour que la batterie de flux puisse être utilisée dans une pile de puces, elle doit encore être optimisée par des partenaires industriels.

Comme le soulignent les scientifiques, cette nouvelle approche est également intéressante pour d'autres applications, par exemple pour les lasers. En effet, ceux-ci doivent également être alimentés en énergie et refroidis. Ou pour les cellules solaires : L'électricité produite pourrait être stockée directement dans la cellule et être obtenue plus tard en cas de besoin. En même temps, le système pourrait maintenir la température de fonctionnement de la cellule solaire de manière optimale. En outre, l'approche optimisée consistant à pousser les liquides électrolytiques à travers les électrodes poreuses permettrait également d'améliorer les grandes batteries à flux.