Batterie structurelle multifonctionnelle en fibre de carbone développée avec succès ! Il est prévu d'augmenter l'autonomie des véhicules électriques de 70 %.
Lorsque les voitures, les avions, les navires ou les ordinateurs sont fabriqués avec un matériau pouvant servir à la fois de batterie et de structure porteuse, leur poids et leur consommation d’énergie seront considérablement réduits. Selon un article publié le 10 dans le dernier numéro deMatériaux avancés, une équipe de recherche de l'Université de technologie Chalmers en Suède a réalisé des progrès dans le « stockage d'énergie sans masse » et a développé une batterie structurelle multifonctionnelle en fibre de carbone. Cette batterie pourrait réduire de moitié le poids des ordinateurs portables, rendre les smartphones aussi fins qu'une carte de crédit ou augmenter l'autonomie des véhicules électriques de 70 % avec une seule charge.
Ricardo Chaudhry, chercheur à l'Université de technologie Chalmers, a déclaré que la batterie structurelle qu'ils ont développée est fabriquée à partir de composites de fibres de carbone, avec une rigidité comparable à celle de l'aluminium et une densité énergétique suffisante pour une application commerciale. Une batterie structurelle est un matériau capable à la fois de stocker de l’énergie et de supporter des charges. Faire des matériaux de batterie une partie intégrante de la structure réelle du produit signifie que des produits tels que les véhicules électriques, les drones, les outils portables, les ordinateurs portables et les smartphones peuvent atteindre un poids réduit.
Les véhicules électriques dépendent en grande partie de grosses batteries lithium-ion pour les déplacements longue distance. Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers voulaient voir s’ils pouvaient créer une batterie qui servirait de matériau porteur pour maintenir le véhicule ensemble tout en réduisant le poids. Dans le cadre du projet « stockage d'énergie sans masse », l'équipe de recherche suédoise a développé une batterie composée de composites de fibres de carbone. Cette batterie a une dureté similaire à celle de l'aluminium et peut stocker une quantité considérable d'énergie, ce qui la rend adaptée à un usage commercial.
Les batteries en fibre de carbone devraient stocker de l’énergie et supporter des charges de la même manière que les batteries en aluminium.
En effet, la fibre de carbone est réputée pour son incroyable légèreté, sa haute résistance et sa grande rigidité, ce qui en fait un choix populaire dans les matériaux structurels et esthétiques des véhicules hautes performances. Malgré son coût élevé, il s’agit également d’un matériau essentiel dans les applications aérospatiales, où chaque gramme compte. Cependant, s’il est conçu selon l’ingénierie électrochimique à cet effet, il peut également servir de matériau d’électrode efficace. Dirigée par le professeur Leif Asp, l’équipe Chalmers étudie ce domaine depuis de nombreuses années et a publié en 2018 une étude démontrant pour la première fois cette propriété des fibres de carbone avec un arrangement cristallin spécifique.
Les chercheurs Xia Zhenyuan, Ricardo Chaudhry et le professeur Leif Asp étudient depuis de nombreuses années le concept de stockage d’énergie sans masse.
La densité énergétique de la nouvelle conception de batterie est de 30 Wh/kg, ce qui, selon les normes automobiles, n'est pas particulièrement élevée. Pour référence, la densité énergétique nominale de la batterie de 53 kWh de la Hyundai Ioniq 6 est de 153 Wh/kg (PDF). Cependant, ce chiffre ne représente que la densité énergétique du pack batterie logé dans un boîtier ; pour une comparaison équitable, le poids de l'ensemble de la structure du véhicule doit également être pris en compte. La conception de cette batterie structurelle en fibre de carbone vise à remplacer l'ensemble du châssis, réduisant ainsi le poids global du véhicule tout en libérant de l'espace.
Les fabricants de véhicules et d’équipements électriques peuvent tirer parti de cette nouvelle équation pour réduire considérablement le poids des produits ou utiliser l’espace libéré pour ajouter davantage de batteries, améliorant ainsi la capacité globale de stockage d’énergie.
Ces résultats pourraient être révolutionnaires en pratique. Asp a déclaré : « Nous avons effectué des calculs sur les véhicules électriques et les résultats indiquent que si les véhicules électriques adoptaient des batteries structurelles compétitives, leur durée de conduite pourrait être prolongée de 70 % par rapport aux modèles actuels. »
La dureté du dernier prototype de l'équipe est près de trois fois supérieure à celle des itérations précédentes, le module élastique passant de 25 GPa à 70 GPa. L'équipe affirme que sa dureté et sa capacité portante sont désormais comparables à celles de l'aluminium, mais il est beaucoup plus léger.
Cette conception de batterie utilise de la fibre de carbone à la fois dans l'anode et la cathode, qui sert également à renforcer et à conduire l'électricité. En conséquence, il n’est pas nécessaire d’utiliser des matériaux lourds comme le cuivre pour créer des collecteurs de courant, ni d’utiliser des métaux de conflit comme le cobalt dans la conception des électrodes.
Cette conception de batterie utilise des matériaux en fibre de carbone pour l'anode et la cathode.
De plus, cette batterie utilise un électrolyte semi-solide au lieu d'un électrolyte liquide pour faciliter le mouvement des ions lithium entre les bornes. En conséquence, il est moins inflammable et plus sûr à utiliser, même si l’équipe de recherche reconnaît qu’il reste encore des défis à relever pour permettre aux ions de traverser rapidement l’électrolyte afin de répondre aux exigences des applications à haute puissance. Des recherches supplémentaires sont nécessaires dans ce domaine.
En effet, il ne s’agit que d’un prototype de batterie de plus en laboratoire, il faudra donc encore plusieurs années pour développer ces véhicules et appareils électriques de nouvelle génération. Cependant, une production et une commercialisation à grande échelle sont déjà en cours. Dès 2022, l'université s'est associée à la société de capital-risque Chalmers Ventures à Göteborg pour créer une nouvelle société appelée Sinonus. Cette société a nommé un nouveau PDG en juin de cette année pour piloter la commercialisation du stockage d’énergie sans masse, ce qui pourrait changer la façon dont nous fabriquons des voitures, des gadgets et même des pales d’éoliennes.
Asp a déclaré : « Nous pouvons imaginer que des téléphones mobiles aussi minces qu'une carte de crédit ou des ordinateurs portables qui pèsent seulement la moitié de ce qu'ils font actuellement soient les plus proches en termes de chronologie. Des composants tels que l'électronique dans les voitures ou les avions pourraient également être alimentés par des composants structurels. Cela nécessitera des investissements importants pour répondre aux demandes énergétiques exigeantes du secteur des transports, mais c'est là que la technologie peut avoir le plus grand impact.
