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Technologies et matériaux intelligents – l'avenir aujourd'hui

Les matériaux intelligents sont des matériaux qui s’adaptent sans intervention humaine aux changements environnementaux, ont une mémoire de leur forme ou même la faculté de se réparer eux-mêmes. Ils simplifient notre quotidien et constituent une solution à la demande de matières premières à l’avenir.

Des matériaux intelligents à l'occasion de la première course de Formule E de Suisse

Dans le monde entier, la mobilité électrique fait l’objet d’une recherche active. La diffusion de la course de Formule E qui s’est déroulée cette année en juin dans la ville de Zurich est le symbole même de l’importance croissante de ce thème. Une occasion pour des experts de l’économie et de la recherche de présenter les véhicules de l’avenir: hybrides et électriques.

Mais comment ces voitures à propulsion électrique parviennent-elles à atteindre une vitesse aussi élevée? La clé du succès de la mobilité électrique simple jusqu’aux voitures de course électriques repose dans la propulsion avec des batteries lithium-ion. Ces batteries permettent de réduire la pollution par rapport aux véhicules à essence et diesel et de protéger la qualité de l’air. Elles deviennent de plus en plus performantes et respectueuses de l’environnement. Il ne s’agit donc plus que d’une question de temps avant que les véhicules électriques soient omniprésents dans nos rues.

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Les matériaux intelligents stimulent le marché des véhicules électriques

72 pour cent de toutes les voitures seront électriques, sous une forme ou sous une autre, d’ici à 2030.
La plus grande croissance attendue est celle des véhicules entièrement électriques.

MCI = moteur à combustion interne (y c. démarrage/arrêt)
VESH = véhicule électrique semi-hybride(48 volts, récupération d’énergie)
VEH = véhicule électrique hybride (démarrage/arrêt, récupération d’énergie, mode électrique)
VEHR = véhicule électrique hybride rechargeable (comme les VEH avec chargeur embarqué)
VE = véhicule électrique

Source: RobecoSAM

Des stockages d'énergie fabriqués à partir de matériaux intelligents

Dans le cas des voitures de course de Formule E, les batteries lithium-ion de 200 kilogrammes permettent une accélération de 0 à 100 kilomètres par heure en 2,9 secondes. Les voitures de course peuvent atteindre une vitesse maximum de 225 kilomètres par heure. Cet exploit est le résultat de plusieurs décennies de recherches menées sur le lithium. Il s’agit là d’un exemple notoire d’accumulateurs composés de plusieurs matériaux intelligents.

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Construction d'une cellule de batterie lithium-ion en matériaux intelligents

Chaque cellule d’une batterie lithium-ion est composée d’une cathode et d’une anode, d’un séparateur et d’un électrolyte. Le graphite est souvent utilisé pour l’anode. Les deux électrodes peuvent stocker des lithium-ions entre les niveaux de réseau.

Source: Physik Journal 13 (2014) n° 10

La quête d’accumulateurs d’énergie encore plus performants, à la fois plus puissants, plus légers et plus petits, est cependant loin d’être terminée. L’amélioration des anodes doit permettre d’augmenter leur durée de vie et leur capacité de stockage tout en réduisant le temps de charge, et ce à l’aide de matériaux intelligents récemment développés. Cet exemple montre que le développement de la micro-structure des matériaux n’a pas de limites.

La pénurie des ressources encourage l'utilisation de matériaux intelligents

Ce qui fait l’objet d’essais en laboratoire doit néanmoins faire ses preuves pour une large utilisation dans l’industrie électrique. L’accès limité ou difficile aux matières premières constitue un nouveau défi. L’instabilité politique en République démocratique du Congo en constitue un exemple dans le cas du cobalt, qui est un élément important des batteries lithium-ion.

Certes, les experts partent du principe que la quantité de matières premières pour les batteries, telles que le lithium ou le cobalt, suffit encore pour le moment. Cependant, des efforts sont entrepris pour découvrir de nouveaux gisements, développer des méthodes d’extraction plus efficaces ainsi que recycler les anciennes batteries. Le développement de technologies des procédés plus efficaces dans l’extraction et la transformation des matières premières pour batterie ainsi que la recherche de nouveaux matériaux appropriés constituent donc un grand intérêt économique.

L'imprimante 3D peut utiliser jusqu'à 100 matériaux différents, dont la forme et le type peuvent être modifiés en fonction des besoins.

Les matériaux intelligents requièrent des technologies intelligentes

On ne trouve pas les matériaux intelligents uniquement dans les batteries lithium-ion qui équipent des voitures silencieuses plus respectueuses de l’environnement et qui nous permettent de téléphoner plus longuement. Les vitres qui s’assombrissent et assurent une thermorégulation ou encore les objets qui changent de taille et de forme ou possèdent une mémoire de forme en sont d’autres exemples. Néanmoins, sans les techniques appropriées qu’offrent les logiciels ultramodernes, les robots et d’autres machines extrêmement sophistiquées, la recherche de nouveaux matériaux intelligents et leur utilisation seraient impensables.

Des technologies intelligentes trouvant application dans différents secteurs

Les imprimantes 3D, par exemple, sont des appareils exploités dans l’industrie depuis quelques années déjà. L’objet à reproduire est scanné et mémorisé dans un ordinateur pour permettre à des designers de le construire. Le processus d’impression peut utiliser jusqu’à 100 matériaux différents appliqués en fines couches. Il est possible d’en modifier la forme et les caractéristiques, si besoin.

Ce procédé est désormais incontournable en médecine, en aéronautique, en construction automobile, mais aussi en architecture. Quelle que soit la manière dont les imprimantes 3D sont construites, le résultat est toujours le même: un produit prêt à l’emploi et fabriqué efficacement. Le traitement précis des matériaux permet ainsi de produire non seulement moins cher mais aussi de ménager les ressources naturelles, ce qui contribue à augmenter la demande en imprimantes 3D.