Elles ne représentent pour nous qu'un petit icône souvent accompagné d'un pourcentage, pourtant les batteries de nos smartphones renferment bien des secrets. Des idées reçues aux faits, voyons ce qu'il se cache dans l'un des composants clés de ce cher téléphone.
Nos smartphones sont devenus des outils incontournables, qui nous accompagnent partout, tout le temps. La portabilité étant leur plus grand atout, l'autonomie a toujours été un enjeu clé de leur démocratisation. Aussi, les constructeurs comme les développeurs optimisent et usent d'astuces pour allonger les temps d'utilisation, diminuer les temps de recharge et accroitre la longévité des batteries.
Comment fonctionne une batterie de smartphone ?
Derrière son simple enrobage monolithique noir, une batterie repose sur un système chimique complexe. Sur le principe, une batterie lithium-ion n'est pas si différente d'une pile AA, qui fournit de l'énergie par le mouvement des ions.
Dans sa forme la plus simple, une batterie se compose d'une anode chargée négativement (en rouge sur le schéma ci-dessous), d'une cathode chargée positivement (en bleu), d'un liquide conducteur appelé électrolyte et d'un séparateur semi-perméable.
Dans le cas d'une batterie lithium-ion, l'anode est composée de graphite, la structure de cet élément permettant de stocker facilement d'autres composants entre les couches. Ici, c'est du lithium qui est stocké, or, une des propriétés du lithium en tant que métal alcalin est de se décharger facilement de son électron périphérique, le plus éloigné du noyau de l'atome, moyennant une faible quantité d'énergie donc. L'électron libre, chargé négativement peut alors circuler dans le circuit électrique : c'est la réaction électrochimique de perte d'électrons propre au pôle négatif d'une pile ou d'un accumulateur.
Du côté de la cathode (pôle positif), nous trouvons justement, le plus souvent, de l'oxyde de cobalt chargé positivement, sur lequel va pouvoir se greffer l'électron libre.
Pour circuler, l'électron passe d'abord par tout un circuit externe relié aux différents composants du smartphone, pour atterrir dans la cathode et stabiliser les atomes de cobalt, créant par la même un courant électrique.
Déchargé d'un électron, les atomes de lithium deviennent des ions positifs, qui rejoignent alors la cathode par l'électrolyte (et non un circuit externe). L'électrolyte, justement, permet la circulation des ions lithium de l'anode à la cathode, tandis que le séparateur évite que les deux électrodes n'entrent en contact, ce qui pourrait causer un feu ou une explosion.
Une fois que la majorité des ions lithium positifs et des électrons sont passés du côté de la cathode, on considère que la batterie est déchargée. Pour la recharger, il faut appliquer une force afin de produire la réaction inverse : faire retourner les ions lithium et les électrons dans l'anode. Dans nos batteries actuelles, ce système repose sur des composants supplémentaires afin d'assurer la sécurité de la batterie.
Comment une batterie s'use-t-elle ?
Reste un point à aborder sur le fonctionnement chimique de la batterie : l'usure. Il existe deux réactions chimiques qui engendrent une perte de capacité pour une batterie :
- La création irréversible de dépôts solides résultant d'une réaction entre les électrons, les ions lithium et l'électrolyte lors de la recharge. Les éléments transformés en dépôt sont dès lors inutilisables et réduisent la quantité maximum d'ions lithium et d'électrons en circulation.
- La présence excessive d'ions lithium dans la cathode ne retournant pas à l'anode malgré l'inversion de la réaction. Ce lithium reste alors « coincé » dans la cathode.
Ces phénomènes sont généralement observés lorsque la batterie est complètement déchargée et rechargée. Les segments de 0 % à 20 % et de 80 % à 100 % de charge sont ainsi les plus susceptibles d'occasionner ces problèmes du fait de l'énergie nécessaire pour déplacer les premiers et les derniers éléments de la cathode à l'anode.
De nos jours, de nombreux constructeurs de smartphones estiment qu'une batterie engendrera des dysfonctionnements lorsqu'elle passera en dessous de 80 % de sa capacité initiale. Tout l'enjeu pour les fabricants (et dans une certaine mesure les utilisateurs) est donc de limiter la consommation d'énergie du smartphone afin de diminuer la fréquence de recharge et donc l'usure de la batterie.
Comment optimiser l'utilisation de la batterie de nos smartphones ?
Maintenant que nous avons vu comment fonctionnait la batterie d'un smartphone d'un point de vue chimique, intéressons-nous à tout ce qui peut avoir un impact sur ses cycles de charge : le matériel et le logiciel.
L'importance du choix des autres composants
Pour les constructeurs, le choix des différents composants d'un smartphone a un impact direct sur son autonomie. Un écran OLED et un écran LCD ne consommeront pas la même quantité d'énergie. Un processeur gravé en 5 nm sera moins énergivore qu'un processeur gravé en 7 nm. Les derniers standards Bluetooth et Wi-Fi sont également plus économes en énergie que leurs prédécesseurs.
Il serait long, fastidieux et inutile de tout lister, mais l'essentiel à retenir est que l'autonomie d'un smartphone peut être augmentée d'un modèle au suivant sans que la taille de la batterie n'augmente, simplement en jouant sur les composants.
iOS et Android : optimisation en coulisse
Côté logiciel, les développeurs redoublent d'ingéniosité pour solliciter au minimum les composants mentionnés plus haut et, par extension, la batterie. Chez Apple comme chez Google, de nombreuses optimisations sont faites d'une version du système d'exploitation à l'autre afin de réduire la consommation d'énergie. Parmi elles, citons la gestion des applications en arrière-plan, la mise en cache des fichiers ou encore le mode Veille, toutes jouant un rôle dans la préservation de la batterie.
Plus récemment, ce sont les interfaces qui ont commencé à avoir un impact positif sur l'autonomie des smartphones profitant de l'arrivée des modes « sombre » et « nuit » dans les applications, sites Web et même les systèmes d'exploitation. Sur des écrans OLED, tous les pixels noirs sont éteints, ne consommant donc pas d'énergie.
iOS 13 et Android 12 voient également arriver des fonctionnalités de recharge optimisée, qui consistent à limiter la recharge du smartphone à 80 % sur une longue période afin d'éviter le passage à 100 % et les phénomènes liés dont nous parlions précédemment, susceptibles d'endommager la batterie.
Les applications d’optimisation de batterie sont-elles vraiment utiles ?
La promesse des applications d'optimisation de batterie peut être alléchante. Installer une application pour gagner 30 minutes à 2 heures d'autonomie, quoi de plus simple après tout ? La réalité est malheureusement moins évidente.
Ces « optimisateurs » ont en effet tendance à fermer les applications en arrière-plan qui consomment trop de ressources (processeur, RAM, Wi-Fi, etc.) pour rallonger superficiellement l'autonomie. iOS et Android possédant aujourd'hui leurs propres méthodes de gestion de ces fonctionnalités d'arrière-plan, il est inutile voire contre-productif d'utiliser une application tierce, qui gênerait finalement le fonctionnement du système d'exploitation. Notons également que peu d'applications aujourd'hui, en dehors des jeux, sont si gourmandes en ressources. Les plus connues, celles des réseaux sociaux, ont largement eu le temps de se bonifier et de voir leur code optimisé.
Les innovations à venir dans le domaine des batteries
Si depuis une vingtaine d'années les batteries lithium-ion dominent, la tendance pourrait bien changer dans les années à venir. De nombreuses avancées technologiques sont attendues dans ce domaine, et c'est d'ailleurs l'un des inventeurs de la technologie lithium-ion qui mène la charge, avec un modèle de batterie à électrolyte solide jugé particulièrement prometteur. Peut-on s'attendre à ce que ces nouvelles batteries soient la prochaine innovation de rupture ?
Le silicone pour remplacer le graphite
Si le système de la batterie n'a pas tant changé au cours de ces dernières décennies, les éléments qui la composent, eux, ont évolués et évoluent encore. Des entreprises comme Enovix travaillent aujourd'hui à remplacer le graphite (un composant de l'anode) par le silicone. Cela engendrerait un gain de capacité de 50 % comparé à des batteries lithium-ion aux dimensions équivalentes. Des premiers produits commercialisés avec cette technologie sont attendus pour la fin de l'année 2021, mais il est encore difficile de savoir si le silicone remplacera à terme le carbone dans nos batteries.
Les batteries solides, la prochaine révolution énergétique
De nombreux centres de recherches et entreprises travaillent aujourd'hui à créer la batterie du futur. QuantumScape, l'une de ces entreprises, travaille aujourd'hui en partenariat avec Volkswagen pour produire des batteries solides. De leurs prémices à aujourd'hui, les batteries ont toujours fonctionné avec un électrolyte à l'état liquide, aux propriétés conductrices bienvenues. Toutefois, ce type d'électrolyte limite l'utilisation de certains éléments pour l'anode et la cathode, notamment les métaux qui se détériorent rapidement au contact d'un liquide.
Le but de QuantumScape est désormais de développer un électrolyte solide pour remplacer le graphite par du lithium-métal, bien plus efficace en tant qu'anode. Ces nouveaux matériaux offriraient des capacités accrues, mais permettraient également de réduire le poids de la batterie et d'accélérer la recharge, surpassant de loin les promesses des derniers smartphones de OnePlus ou Xiaomi.
Enfin, et c'est probablement le point le plus important : un électrolyte solide diminuerait fortement l'usure de la batterie.
