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Avec Modalis², l’Ifpen veut développer la boîte à outils numériques des batteries du futur

Xavier Boivinet
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Avec Modalis², l’Ifpen veut développer la boîte à outils numériques des batteries du futur

© Younghee Lee/CUBE3D Graphic

L'IFP Energies nouvelles (Ifpen) a officialisé le lancement du projet européen Modalis² (pour Modelling of advanced Lithium Storage Systems) le 27 février. Avec neuf partenaires et pour une durée de trois ans, l’objectif sera de développer des outils numériques pour modéliser et concevoir les futures générations de batteries.

L'IFP Energies nouvelles (Ifpen) a officialisé le lancement du projet Modalis² (pour Modelling of advanced Lithium Storage Systems) le 27 février. Prévu pour une durée de trois ans et financé à hauteur de 4,8 millions d’euros par le programme Horizon 2020 de l’Union Européenne, Modalis² vise à développer des outils numériques pour modéliser et concevoir les générations de batteries de demain.

Avec l'Ifpen à la coordination, à travers le Carnot Ifpen Transports Energie, le projet regroupe neuf partenaires. « Les compétences vont des matériaux jusqu'à l’échelle du système et à l’intégration dans le véhicule », précise Martin Petit, ingénieur de recherche à l’Ifpen et coordinateur du projet. L'université de Turin travaillera notamment sur la modélisation des structures cristallines ; Siemens développera des modèles de composants et systèmes avec l’Ifpen ; Solvay et Umicore fourniront les matériaux et le centre de recherche de Fiat se chargera de l’intégration dans les véhicules. Saft, Digital Industry Software, Gemmate Technologies et K&S font également partie du consortium.

Générations 3b et 4b

La cible de Modalis², ce sont des batteries de générations 3b et 4b. Prévues à horizon 2025, les premières possèdent une électrode négative constituée d'un mélange de carbone et de silicium - alors que les batteries lithium-ion classiques n’utilisent que du carbone -, une électrode positive en nickel-manganèse-cobalt (NMC) enrichie en nickel, et enfin un électrolyte liquide. Les secondes sont les batteries dites « tout solide » avec un électrolyte solide. Leur commercialisation est envisagée à l'horizon 2030.

Avec de nouveaux outils de modélisation, les partenaires espèrent diviser par trois le nombre d’expérimentations. Au final, ils visent à réduire de 20 % à 35 % les coûts des développements et les coûts des matériaux par rapport aux batteries actuelles. Une solution sera notamment de réduire la quantité de cobalt utilisée dans la génération 3b. « Il reste très cher par rapport au nickel et au manganèse », assure M. Petit.

Des modèles existants non-adaptés

« Les logiciels existants ne sont pas adaptés pour modéliser les phénomènes qui se produisent dans ces nouvelles technologies de batteries », poursuit M. Petit. L’Ifpen et Siemens Industry Software ont déjà développé des outils de modélisation de batteries adaptés jusqu'aux générations 3a, avec des électrodes négatives contenant du carbone et 3 % de silicium. « Dans le cadre du projet, nous visons jusqu'à 18 % de silicium, ajoute-t-il. Et pour les batteries « tout-solide », nous n'avons jamais fait de modèle. »

Si les modèles actuels ne sont pas adaptés à ces batteries d’un nouveau genre, c’est parce que celles-ci amènent des comportements mécaniques qui n’existaient pas, ou de manière négligeable, dans les générations précédentes. « Nous allons ajouter des modélisations mécaniques à des outils qui, généralement, se contentent de modéliser le courant, la tension et la température », précise M. Petit.

Variations de volume

Dans les batteries de génération 3b, si l’ajout de silicium dans l’électrode en carbone permet d’augmenter la quantité de charges stockées, il induit également une variation importante du volume de l’électrode entre l'état déchargé et l'état chargé. « Cette variation du volume se produit sur toutes les électrodes, précise-t-il. Mais alors qu’elle est de l’ordre de 13 % pour le graphite pur, elle peut monter à 300 % pour le silicium pur. »

Au niveau microscopique, cela induit un vieillissement anticipé, des problèmes de cohésion ou de fracturation. Au niveau macroscopique, il faut prendre en compte ces contraintes mécaniques plus importantes dans la conception des packs de batteries, notamment pour le packaging.

Pour les batteries de génération 4b, l’électrolyte solide amène des comportements nouveaux. « Les propriétés mécaniques et au niveau des interfaces entre les différents composants sont complètement nouvelles », indique M. Petit.

Alliance européenne des batteries

Les outils développés par Siemens Industry Software depuis une dizaine d’année, en partenariat avec l’Ifpen, serviront de base. « Ils y grefferont des outils de conception et d'optimisation développés dans le cadre du projet », précise M. Petit.

Modalis² s’inscrit dans l’ambition de l’Europe de mettre en place une industrie compétitive de production de cellules de batteries. Siemens, Saft, Umicore et Solvay sont d’ailleurs membres de l'alliance européenne des batteries. « Dans un premier temps, nous allons développer la boîte à outils numérique sur les technologies de génération 3b, indique Martin Petit. Ensuite, nous viserons les batteries « tout-solide » qui sont vraiment l'objectif final de l'alliance européenne des batteries. »

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