Une batterie « sans masse » promet une augmentation de 70 % de l'autonomie des véhicules électriques
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Des chercheurs affirment avoir construit et testé une « batterie structurelle » qui alimente en énergie un appareil ou le châssis d'un véhicule électrique, permettant ainsi de gagner énormément de poids. Elle pourrait permettre de fabriquer des smartphones aussi fins qu'une carte de crédit, des ordinateurs portables deux fois plus légers et d'augmenter de 70 % l'autonomie des véhicules électriques.
Les véhicules électriques dépendent fortement – jeu de mots voulu – de grandes batteries lithium-ion pour parcourir de longues distances. Des chercheurs de l’Université de technologie de Chalmers se sont demandé s’ils pourraient construire une batterie qui servirait également de matériau porteur pour maintenir la voiture en place, tout en réduisant son poids.
Dans le cadre de leurs travaux sur ce qu'ils appellent le « stockage d'énergie sans masse », l'équipe de recherche suédoise a développé une batterie en composite de fibres de carbone. Elle promet une rigidité similaire à celle de l'aluminium, tout en étant capable de stocker une bonne quantité d'énergie, suffisamment pour être utilisée à des fins commerciales.
La batterie à base de fibre de carbone promet de stocker de l'énergie et de supporter des charges comme l'aluminium. Crédit : Image : Université de technologie Chalmers | Henrik Sandsjö
La fibre de carbone est bien sûr incroyablement légère, solide et rigide – et donc un matériau structurel et extérieur populaire, bien que coûteux, dans les voitures de performance – ainsi qu’un matériau essentiel dans les applications aérospatiales, dans lesquelles chaque gramme compte.
Mais il peut également servir de matériau d’électrode efficace lorsqu’il est conçu électrochimiquement à cette fin. L’équipe Chalmers, dirigée par le professeur Leif Asp, travaille sur ce sujet depuis des années, après avoir publié une étude démontrant cette propriété de la fibre de carbone avec une disposition spécifique de cristaux en 2018.
Les chercheurs Zhenyuan Xia, Richa Chaudhary et le professeur Leif Asp travaillent sur ce concept de stockage d'énergie sans masse depuis des années. Crédit : Image : Université de technologie Chalmers | Henrik Sandsjö
La nouvelle conception de la batterie a une densité énergétique de 30 Wh/kg, ce qui n'est pas très bon par rapport aux normes automobiles. Pour référence, la batterie de 53 kWh d'une Hyundai Ioniq 6 est évaluée à 153 Wh/kg (liens vers le PDF) .
Mais c'est la densité énergétique d'un pack de batteries placé dans une boîte ; il faut ajouter le poids de l'ensemble du châssis structurel de la voiture pour que la comparaison soit équitable, car cette batterie structurelle en fibre de carbone est conçue pour remplacer l'ensemble du châssis, réduisant ainsi considérablement le poids global du véhicule, tout en libérant de l'espace pour démarrer.
Les fabricants de véhicules électriques et d’appareils peuvent faire ce qu’ils veulent avec cette nouvelle équation, soit viser des produits nettement plus légers, soit remplir l’espace libéré avec davantage de cellules pour augmenter le stockage global d’énergie.
Les résultats pourraient être révolutionnaires dans la pratique. « Nous avons fait des calculs sur des voitures électriques qui montrent qu'elles pourraient rouler jusqu'à 70 % plus longtemps qu'aujourd'hui si elles étaient équipées de batteries structurelles compétitives », explique Leif Asp.
Le dernier prototype de l'équipe est presque trois fois plus rigide que les itérations précédentes, avec un module d'élasticité de 70 gigapascals, contre 25 auparavant. L'équipe affirme qu'il est désormais aussi rigide et capable de supporter le poids de l'aluminium, tout en pesant beaucoup moins.
Qu'y a-t-il à l'intérieur ?
La conception de la batterie utilise de la fibre de carbone à la fois dans l'anode et la cathode, où elle sert également de renfort et de collecteur de courant. Cela élimine le besoin de collecteurs de courant fabriqués à partir de matériaux lourds comme le cuivre, ainsi que de métaux conflictuels comme le cobalt dans la conception des électrodes.
La fibre de carbone est présente dans les électrodes positives et négatives de cette conception de batterie. Crédit : Image : Université de technologie Chalmers | Henrik Sandsjö
De plus, cette batterie utilise un électrolyte semi-solide au lieu d'un électrolyte liquide pour déplacer les ions lithium entre ses bornes. Elle est donc moins inflammable et plus sûre à utiliser, même si l'équipe admet qu'il reste encore quelques problèmes pour faire passer les ions à travers l'électrolyte assez rapidement pour les applications à haute puissance. Des recherches supplémentaires sont nécessaires dans ce domaine.
Oui, il s’agit d’une autre batterie de laboratoire et, en tant que telle, ces véhicules électriques et appareils de nouvelle génération sont encore loin d’être disponibles – mais la production de masse et la commercialisation sont en cours.
En 2022, l'université s'est associée à la société de capital-risque Chalmers Ventures, basée à Göteborg, pour créer une nouvelle société appelée Sinonus. L'entreprise a nommé un nouveau PDG en juin pour propulser sa mission de commercialisation du stockage d'énergie sans masse, dans le but de changer la façon dont nous construisons des voitures, des gadgets et même des pales d'éoliennes.
« On peut imaginer », explique Leif Asp, « que les téléphones portables ou les ordinateurs portables, aussi fins qu'une carte de crédit et pesant la moitié du poids actuel, seront les plus proches de ce stade. Il se pourrait aussi que des composants électroniques tels que les voitures ou les avions soient alimentés par des batteries structurelles. Il faudra investir massivement pour répondre aux besoins énergétiques exigeants du secteur des transports, mais c'est aussi là que la technologie pourrait faire la plus grande différence. »