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La batterie passe la vitesse supérieure

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Posté le : 28 septembre 2020, 09:17

Temps de lecture: 6 minutes

L’innovation dans le domaine du stockage d’énergie hissera la mobilité électrique à un niveau supérieur dans les années à venir. Le professeur Andreas Hintennach dirige les recherches sur les futures technologies de batteries chez Daimler et a permis à Aftersales Magazine de se plonger dans les coulisses.

Quinze journalistes de divers pays européens ont participé à une téléconférence avec Andreas Hintennach. Au sein du groupe Daimler, le chimiste détenteur de nombreux titres académiques est considéré comme la principale autorité en matière de recherche sur les cellules de batterie. Andreas Hintennach entame le débat en annonçant que la technologie actuelle des batteries lithium-ion n’est pas encore parvenue au bout de son développement. “Je pense qu’il subsiste une marge de 20 pour cent. Le silicium, par exemple, remplacera à terme en grande partie la poudre de graphite actuelle. Cela peut augmenter la densité énergétique de 20 à 25 pour cent.” 

Andreas Hintennach rappelle aux participants qu’à la fin des années 1990, les batteries lithium-ion pour les véhicules électriques étaient presque aussi chères que l’or. Et que l’autonomie des voitures en question ne dépassait guère les 65 kilomètres avec une batterie pleine. “Comparez cela avec la situation actuelle et la situation dans cinq ans. Nous dépassons aussi la limite magique des 100 euros par kWh dans la production des batteries. Croyez-moi, la mobilité électrique atteindra très rapidement un niveau de technologie très élevé tout en étant très abordable.”

Refroidissement indirect

La durée de vie et les performances d’une batterie sont optimales à une température comprise entre 25 et 35 degrés Celsius. Daimler utilise pour sa gestion thermique le refroidissement indirect, avec un système à base d’eau et de glycol. Ce dispositif est utilisé avec succès dans d’autres secteurs depuis de nombreuses années et sa fiabilité a été éprouvée, estime Andreas Hintennach. “Au cours des dernières décennies, nous avons acquis au sein de notre département R&D de l’expertise en la matière avec les systèmes à hydrogène. Nous avons ensuite traduit ce savoir-faire dans les systèmes de batteries.”

Selon lui, le refroidissement par air, comme autrefois sur la VW Coccinelle par exemple, est insuffisant. “La production de chaleur par centimètre carré est beaucoup plus faible qu’avec le refroidissement liquide. C’est pourquoi je ne vois des applications de refroidissement par air que dans les VE peu coûteux qui ne sont pas équipés pour une recharge rapide. C’est une solution bon marché, mais elle limite la durée de vie des batteries et n’est donc pas une option pour nous en tant que constructeur automobile. Vous économisez dans le processus de développement, mais vous payez le multiple à la fin. La batterie doit être remplacée plus tôt, peut-être même tout le véhicule.”

Matériaux de substitution 

Dans les coulisses, l’équipe R&D de Daimler travaille sur des cellules de batterie fabriquées à partir de composants de substitution. Le nickel et le cobalt, par exemple, devront faire place à la combinaison lithium-soufre pour plusieurs raisons: ces substances sont beaucoup moins chères, elles sont disponibles partout sur la Terre et elles ne sont pas toxiques. De plus, le soufre est un déchet de l’industrie chimique et il est 45 pour cent plus léger que les matériaux actuels utilisés dans une batterie. “Un poids plus faible entraîne une consommation d’énergie réduite: c’est aussi simple que cela. De plus, une batterie lithium-soufre est très facile à recycler en fin de vie.” Un défi réside dans la densité énergétique. “Il faudra donc peut-être plusieurs années avant que cette technologie ne soit disponible pour les voitures particulières.” 

Mais il n’y a pas qu’une seule route pour rejoindre Rome, comme l’explique Andreas Hintennach aux journalistes. La batterie alcaline rechargeable sera prête à être lancée sur le marché entre 2025 et 2030. À ce jour, ce type de source d’énergie n’est disponible qu’en version jetable pour un usage domestique. Le matériau de base est le manganèse, qui est connu pour être écologique et facile à utiliser. Selon le chimiste, l’utilisation des anodes de silicium dans les batteries lithium-ion est tout aussi prometteuse. Par rapport aux anodes de graphite actuelles, elles augmentent la densité énergétique de 20 à 25 pour cent. Ce matériau est déjà utilisé, comme dans les AirPods sans fil d’Apple. “Ces appareils de grande consommation sont techniquement simples et n’ont pas besoin de durer quinze ans. Dans l’industrie automobile, les exigences en matière de longévité sont beaucoup plus strictes. C’est pourquoi nous avons besoin de plus de temps de développement.”

Oxygène et organique 

Un peu plus loin sur cette voie de développement, dans dix à quinze ans, le lithium-oxygène sera la source de la propulsion électrique. Fini le nickel et le cobalt. Une ouverture dans la batterie permettra de puiser l’oxygène dans l’air extérieur. Celui-ci réagira alors avec le lithium. Le principe de fonctionnement est similaire à la pile à combustible à hydrogène. Avantage important: le système lithium-oxygène est rechargeable. À l’heure actuelle, cette technique n’est pas encore applicable à grande échelle car sa durée de vie est trop limitée et une recharge rapide n’est pas encore possible. “Nous avons besoin d’une connaissance plus approfondie des processus chimiques sous-jacents pour envisager une application commerciale.” 

“Je pense qu’il subsiste une marge de 20 pour cent pour le développement des batteries lithium-ion.” 

Mais l’horizon d’Andreas Hintennach s’étend encore plus loin: la batterie organique ou compostable pourrait faire ses débuts dans quinze à vingt ans. Cette batterie serait produite à partir de déchets agricoles, en particulier des fibres de fruits. À la fin de leur cycle de vie, ces batteries pourraient être entièrement compostées, ce qui permettrait de produire un modèle circulaire idéal. “Il existe déjà un prototype au niveau du laboratoire, mais il n’est pas encore adapté à une utilisation dans un véhicule. Cependant, je vois beaucoup de potentiel.” L’espoir est identique avec le graphène, un excellent conducteur thermique et électrique en plein essor. Grâce aux atomes de carbone, la batterie d’un smartphone serait rechargeable en quinze minutes. La tentation est grande d’étendre la réflexion à la recharge rapide d’une batterie de voiture, mais ce raisonnement apparaît trop simpliste. 

État solide 

Pour l’après 2025, il faut aussi prendre en compte la batterie à l’état solide que Mercedes-Benz prévoit d’utiliser dans son autobus urbain eCitaro. Ce type de batterie garantit une longue durée de vie et ne contient ni cobalt, ni nickel, ni manganèse. Mais la faible densité énergétique rend actuellement le système relativement encombrant, lent à charger et limité en autonomie. La batterie à l’état solide est donc une solution prometteuse pour les véhicules utilitaires légers, mais pas encore pour les voitures particulières. Selon Andreas Hintennach, la recherche fondamentale est toujours nécessaire: “Il suffit de penser aux couches vitrocéramique extrêmement fines et parfaites qui sont nécessaires. Au niveau technique, c’est réalisable, mais de manière manuelle. Les quantités de conducteurs à l’état solide sont cependant encore insuffisantes pour permettre une production rapide, peu coûteuse et de haute qualité.”

“Quelle que soit la manière dont cela se passe dans le domaine de la batterie, la coopération est très importante.”

Les différents laboratoires de Daimler travaillent sur des solutions de substitution pour remplacer le nickel, un métal coûteux. L’aspect de la durabilité joue également un rôle ici, car plus le mix de matériaux est limité, plus le recyclage sera facile et efficace. Andreas Hintennach s’intéresse également à l’autre aspect de la recherche et du développement: le moment où la batterie atteint la fin de sa vie. La réutilisation des matières premières sert à la fois l’environnement et la production, car l’Europe ne dispose que de ressources primaires limitées. Dans huit à dix ans, un nombre important de batteries de VE seront disponibles pour le recyclage. En particulier, le cobalt, le nickel, le cuivre et plus tard aussi le silicium seront recyclés. “Nous sommes déjà très bien préparés pour réintégrer les matières premières secondaires dans le cycle de production. Mais d’abord, bien sûr, nous faisons tout notre possible pour que nos batteries durent le plus longtemps possible.” 

Avantages et inconvénients 

Au-delà des technologies de stockage innovantes, il faut aussi se demander combien de temps la batterie lithium-ion sera encore utilisé. La réponse est: longtemps. “Il n’y a pas pour l’instant une technologie unique pour remplacer ce type de batterie. Comme je l’ai dit un peu plus tôt, cette technologie possède encore un énorme potentiel de développement. En outre, les solutions de substitution telles que les électrolytes solides, les anodes lithium-métal ou lithium-soufre diffèrent grandement en termes d’exigences matérielles, d’applications et de développement ultérieur. Chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients, tout comme nos véhicules eux-mêmes. Avec une Smart EQ, il est plus important de permettre une recharge rapide dans un environnement urbain plutôt que de proposer une grande autonomie. Il faudra donc un certain temps avant que nous puissions dire, en ce qui concerne toute notre gamme de voitures particulières: ‘C’est LA technologie que nous devons choisir maintenant’.” 

Lors de la séance de questions/réponses qui clôturait la rencontre, une question portait sur l’autonomie que pourraient atteindre les batteries du futur sur une voiture particulière. Pourra-t-on bientôt atteindre la limite magique des mille kilomètres? Ici aussi, selon l’expert de Daimler, il est impossible de donner des réponses claires. Techniquement, ce cap important peut être atteint, par exemple avec des cellules lithium-soufre. Toutefois, pour la majeure partie du marché, cette batterie n’est pas la solution car elle est trop lente à charger et trop coûteuse. “Quelle que soit la manière dont cela se passe dans le domaine de la batterie, la coopération est très importante”, souligne Andreas Hintennach. “Chaque solution est le résultat d’un travail d’équipe au niveau mondial, avec des partenaires industriels et des instituts de recherche de qualité. Personne ne viendra seul à bout de cette quête du Saint Graal.”

Cerveau numérique

La batterie d’une voiture électrique contient plusieurs centaines de cellules, qui sont techniquement similaires à celles de notre smartphone. Généralement, celui-ci se contente d’une seule cellule. Le système de gestion des batteries du véhicule surveille ces centaines de cellules comme un bon père de famille. Il calibre chaque cellule individuellement en fonction de la tension souhaitée. Son cerveau numérique contient deux fois plus de codes de programmation que les systèmes d’exploitation Windows ou iOS et trois à cinq fois la puissance de calcul du meilleur PC.

Bruxelles freine la soif de…Hödlmayr Logistics Belgium…
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