Les batteries lithium-ion, présentes dans de nombreux appareils, montrent leurs limites face à la nécessité de rechargements fréquents et aux problèmes environnementaux liés à leur production. Une équipe de chercheurs sud-coréens explore les batteries nucléaires au radiocarbone, capables de fournir de l’énergie pendant des décennies sans recharge.
Une équipe dirigée par Su-Il In, professeur à l’Institut de science et technologie de Daegu Gyeongbuk en Corée du Sud, développe une solution innovante : des batteries nucléaires alimentées par radiocarbone qui pourraient durer des décennies sans nécessiter de recharge. Le professeur In a présenté les résultats de son équipe lors de la réunion du Printemps 2025 de la Société Chimique Américaine, tenue du 23 au 27 mars. La conférence a présenté environ 12 000 exposés sur les avancées scientifiques.
Cette recherche répond à la demande croissante de sources d’énergie durables et durables, alors que les appareils connectés, les centres de données et les technologies avancées continuent de pousser les capacités des batteries lithium-ion à leurs limites. « La performance des batteries lithium-ion est presque saturée », a déclaré In, expliquant pourquoi son équipe s’est tournée vers les batteries nucléaires comme alternative.
Le radiocarbone présente plusieurs avantages par rapport à d’autres matériaux radioactifs : il est économique, facilement disponible en tant que sous-produit des centrales nucléaires et facile à recycler. Surtout, il se dégrade de manière extraordinairement lente, avec une demi-vie de 5 730 ans.
Les batteries nucléaires génèrent de l’électricité en exploitant les particules à haute énergie émises lors de la désintégration radioactive de certains matériaux. Contrairement aux sources d’énergie nucléaire conventionnelles comme l’uranium ou le plutonium, qui émettent des rayons gamma nocifs, le design de In utilise le carbone-14, un isotope radioactif connu sous le nom de radiocarbone.
Le radiocarbone émet uniquement des particules bêta, qui sont moins nocives et peuvent être contenues de manière sécurisée avec une fine feuille d’aluminium. Cela rend les batteries betavoltechiques, qui convertissent la radiation bêta en électricité, prometteuses en tant que solutions énergétiques compactes et sûres. Le radiocarbone présente plusieurs avantages sur d’autres matériaux radioactifs : il est économique, facilement disponible en tant que sous-produit des centrales nucléaires et facile à recycler. Surtout, il se dégrade de manière extraordinairement lente, avec une demi-vie de 5 730 ans.
Cela signifie qu’une batterie alimentée par du radiocarbone pourrait théoriquement fournir de l’énergie pendant des milliers d’années sans avoir besoin d’être remplacée. « J’ai décidé d’utiliser un isotope radioactif de carbone parce qu’il génère uniquement des rayons bêta », a déclaré In.
Le prototype de batterie betavoltechique de l’équipe incorpore des matériaux avancés pour maximiser l’efficacité de conversion de l’énergie – un défi test dans la conception de batteries nucléaires. Au cœur de la batterie se trouve un semi-pilote à base de dioxydes de titane, couramment utilisé dans les cellules solaires.
Ce matériau a été traité avec un colorant à base de ruthénium et renforcé avec de l’acide citrique pour créer une structure hautement sensible capable de convertir efficacement la radiation bêta en électricité.
Les particules bêta émises par le radiocarbone frappent le colorant à base de ruthénium sur le semi-pilote, déclenchant une cascade de réactions de transfert d’électrons connues sous le nom d’avalanche d’électrons. Ces réactions génèrent de l’électricité, que la couche de dioxide de titane collecte et transmet à un circuit externe. Ce processus est essentiel à la capacité de la batterie à produire une puissance utilisable.
Un facteur clé dans le design de In était le placement du radiocarbone à la fois dans l’anode et le cathode de la batterie – une déviation par rapport aux conceptions précédentes qui utilisaient le radiocarbone exclusivement sur une seule électrode. Cette configuration à deux sites a augmenté la génération de particules bêta tout en minimisant la perte d’énergie causée par la distance entre les électrodes.
Les résultats étaient remarquables : les tests ont révélé que cette approche a porté l’efficacité de conversion d’énergie de la batterie de 0,48 % dans les designs antérieurs à 2,86 % dans le nouveau prototype – une amélioration de près de six fois.
Malgré ces progrès, les batteries au radiocarbone accusent encore un retard par rapport aux batteries lithium-ion en termes d’énergie produite. Les batteries lithium-ion atteignent généralement une efficacité de conversion d’énergie d’environ 90 %. Cependant, ce que ces batteries nucléaires manquent en performance immédiate, elles le compensent par leur longévité et leur fiabilité. Leur capacité à fonctionner pendant des décennies sans recharge ouvre de nouvelles possibilités dans divers secteurs.
Par exemple, les pace-makers alimentés par des batteries au radiocarbone pourraient durer toute la vie d’un patient, éliminant ainsi la nécessité de remplacements chirurgicaux risqués. D’autres applications potentielles comprennent l’alimentation de capteurs distants dans des environnements difficiles, des satelites nécessitant des solutions énergétiques à long terme dans l’espace, et même des drones ou des véhicules autonomes où des recharges fréquentes sont impraticables.
In reconnaît qu’une optimisation supplémentaire est nécessaire pour améliorer les performances de ces batteries nucléaires. Des efforts sont en cours pour affiner la forme des émetteurs de rayons bêta et développer des absorbeurs plus efficaces pour augmenter la génération d’énergie. Néanmoins, il reste optimiste quant à leur impact potentiel. « Nous pouvons intégrer une énergie nucléaire sûre dans des appareils de la taille d’un doigt », a-t-il déclaré, envisageant un avenir où l’énergie nucléaire n’est plus confinée aux grandes centrales électriques mais intégrée dans la technologie quotidienne.
Les recherches ont été financées par la Fondation Nationale de Recherche de Corée et soutenues par le Programme de Recherche et Développement de l’Institut de science et technologie de Daegu Gyeongbuk sous le ministère sud-coréen de la Science et des Technologies de l’information et de la communication.