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Les batteries au défi de l'autonomie

Les batteries au défi de l'autonomie

© Dir. Communication Renault

Ce sont elles qui ont permis de lancer un marché des véhicules électriques. Mais pour s'imposer sur des machines plus lourdes que les vélos, les batteries doivent augmenter leur densité d'énergie massique. Les recherches s'orientent principalement sur les électrodes et électrolytes, mais concernent aussi l'architecture et la gestion électronique du pack.

Depuis moins d'une dizaine d'années, le véhicule électrique se déploie à plus large échelle grâce à l'amélioration continue de la performance des batteries et de leur durée de vie. C'est au début des années 2000 que les véhicules électriques, héritiers d'une longue histoire, connaissent un véritable regain d'intérêt. Stimulée par le marché de la téléphonie mobile, la batterie lithium-ion a progressé. Et s'installe, depuis, partout. Dans les petits véhicules du type du Segway, ou les vélos, et dans les plus gros, comme l'avion e-Fan d'Airbus ou le bateau PlanetSolar, alimenté par des panneaux solaires. Mais de tous les véhicules, c'est l'automobile, en raison du poids économique qu'elle représente, qui tire les recherches sur les batteries lithium-ion.

Dotée d'une durée de vie de 5 000 cycles, la batterie lithium-ion permet des performances dynamiques très proches du véhicule thermique, voire supérieures. Elle possède aussi un outil de production mature, sur lequel les industriels peuvent s'appuyer. Dans l'automobile, l'enjeu est de lui donner assez d'autonomie pour ne pas circuler seulement en ville, mais aussi au-delà, et de limiter les risques d'explosion. La Tesla S, commercialisée depuis 2013, fait office de précurseur, avec les 500 kilomètres d'autonomie que ses constructeurs affirment avoir atteint. La firme d'Elon Musk intègre dans le plancher de la voiture 6 600 unités de cellules lithium-ion, semblables à celles des ordinateurs portables, soit 80 kWh. Mais le véhicule, vendu 100 000 euros, reste cantonné à un marché de niche. Plus abordable, la Renault Zoé n'embarque que 20 kWh de batteries, ce qui ne lui permet pas de dépasser les 200 km. Pour résoudre l'équation, les constructeurs rêvent de batteries aux capacités et densités énergétiques plus importantes, pour un coût inférieur.

 

Les matériaux des électrodes au coeur des recherches

 

Première piste : les matériaux des électrodes. Aujourd'hui en carbone, la cathode change de peau et s'essaie au silicium, moins coûteux, à la nanostructuration, et à la nanotexturation. Les recherches portent également sur l'augmentation de la différence de potentiel entre anode et cathode. « Nous cherchons des matériaux qui permettent à la cathode de fonctionner sous des potentiels de 5 volts, contre 4 aujourd'hui », explique Cédric Chazel, responsable valorisation du réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E). « Cela permet à la batterie de fournir plus d'énergie lors d'un cycle. » L'électrolyte, le liquide qui assure le déplacement des ions entre les électrodes, est aussi au coeur des recherches. Solide, il ne serait plus inflammable, et plus facile à produire et à contrôler. Le constructeur français Bolloré s'appuie sur une technologie originale dite lithium-métal-polymère, construite à partir de films de lithium solides et avec un électrolyte polymère fondu. Mais celui-ci doit cependant être constamment chauffé entre 60 et 80 °C, tandis que la batterie se décharge vite à l'arrêt.

Pour dépasser les 500 ou 600 km d'autonomie, d'autres technologies sont explorées. Les plus prometteuses sont le lithium-soufre et le métal-air. Dans la batterie lithium-soufre, la cathode est enrobée de soufre. Chaque atome de soufre pouvant se lier à deux atomes de lithium, la capacité monte en flèche. Mais la cathode de soufre a tendance à se dissoudre dans l'électrolyte pour former des polysulfures, ce qui limite la durée de vie de la batterie. Pour résoudre le problème, de nombreuses recherches portent sur l'utilisation d'atomes de carbone ou de graphène pour stabiliser les polysulfures en les piégeant physiquement. Récemment, une équipe de l'université de Waterloo a montré qu'en ajoutant une nanofeuille de MnO2 autour de la cathode, on pouvait obtenir une capacité de 2 000 cycles.

 

Le temps de la recharge est le nerf de la guerre

 

Plus en amont, la batterie lithium-air (Li-O2) résulte du mariage de la batterie lithium-ion et d'une pile à combustible. Comme dans cette dernière, l'oxygène est tiré de l'air pour réagir avec la cathode carbonée. Si la technologie laisse augurer des densités énergétiques très intéressantes, dans la pratique, les espèces organiques présentes dans l'électrolyte posent encore des problèmes de stabilité. « Il est aussi possible d'échanger l'électrode négative des batteries lithium par d'autres métaux beaucoup moins coûteux, mais sans améliorer la capacité de stockage, explique Laurent Torcheux, membre de la direction Recherche et développement d'EDF. « Ainsi, pour améliorer le rendement de la technologie zinc-air, nous travaillons sur l'ajout d'une troisième électrode, couplée à un système de gestion électronique des électrodes grâce à une puce insérée dans le boîtier de la batterie. »

Promises à encore de nombreuses améliorations, les batteries sont l'objet régulier d'annonces de rupture qui permettraient d'augmenter leur autonomie. Mais pour les automobilistes, c'est la question du temps de recharge qui est le nerf de la guerre. Des sociétés s'orientent vers des batteries alliant les avantages d'une pile à combustible et d'un accumulateur. C'est le cas de la batterie très particulière qui équipe la Quant e-Sportlimousine, présentée par la société Nanoflowcell au salon de Genève 2014. Cette batterie à flux, dont le principe n'est pas nouveau, s'appuie sur deux réservoirs de 200 litres permettant de stocker les électrolytes liquides. Une fois que l'électrolyte est déchargé, celui-ci est simplement pompé hors du réservoir et remplacé par un liquide chargé. Nul besoin de recharger directement la batterie de la voiture, l'électrolyte déchargé est rechargé hors de la voiture, à la « station de recharge », pendant que la voiture reprend sa route...

LES MATÉRIAUX ET LES TECHNOS DU FUTUR

2015 BATTERIE À FLUX Densité d'énergie massique : 750 Wh/kg Principe : hybride entre la pile à combustible et la lithium-ion LE PLUS La puissance ne dépend pas de la capacité LE MOINS Encombrement 2020 MAGNÉSIUM-ION Densité d'énergie massique : 400 Wh/kg Principe : les ions magnésium transportent une charge deux fois plus importante que les ions lithium LE PLUS Matériau peu toxique et abondant LE MOINS Se dégrade avec le temps 2025 LITHIUM-SOUFRE Densité d'énergie massique : 2600 Wh/kg Principe : fonctionne comme une lithium-ion, avec une cathode enrobée de soufre LE PLUS Matériau peu toxique et abondant LE MOINS La cathode se dégrade avec le temps 2030 MÉTAL-AIR-EAU Densité d'énergie massique : 5000 Wh/kg (lithium) Principe : réagit avec l'oxygène de l'air LE PLUS Sécurité LE MOINS Durée de vie altérée par la réactivité du lithium avec l'eau

L'énergie dans la carrosserie, pas sous le capot

En 2013, Volvo avait fait part des tests qu'il effectuait sur une carrosserie constituée d'éléments en fibre de carbone capables de stocker de l'électricité et qui pourrait la délivrer à la manière d'un supercondensateur. Le constructeur n'est pas le seul à travailler sur la question. Dans les labos d'EDF par exemple, les chercheurs travaillent sur des « batteries 3D ». Avantage : un coût réduit, à la fois pour les matériaux et les procédés de fabrication. Dans les porosités de l'électrode négative en fer en forme d'une grille recouverte d'un séparateur est coulée l'électrode positive. Ainsi entremêlées, les électrodes prennent très peu de place : la batterie fait de 3 à 5 millimètres d'épaisseur, vise une capacité de 200 Wh/kg et peut s'adapter aux formes qu'on veut lui donner.

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