L’énergie des VE stockée dans la structure des véhicules

Dans un futur proche, l’énergie des voitures électriques pourrait ne plus être stockée dans des batteries, comme celles déployées actuellement, mais dans la structure même des véhicules, comme le plancher ou la carrosserie.

Nouvelle technologie des batteries structurelles

Cette véritable révolution pourrait voir le jour via l’arrivée d’une nouvelle technologie, celle des batteries structurelles. Lesquelles ont la particularité d’être conçues à partir de matériaux dits multifonctionnels, capables à la fois de stocker de l’électricité tout en possédant une intégrité mécanique.

Si ce nouveau type de batteries s fonctionne selon le même principe que les batteries électrochimiques au lithium, les matériaux utilisés sont différents. Des polymères renforcés par des fibres de carbone qui servent à la fois d’électrode et de renforcement structurel mécaniquement porteur pourront notamment être utilisés.

Les fibres de carbone sont noyées dans un matériau formant une matrice à l’image d’un composite. Plusieurs couches sont ainsi formées et empilées les unes sur les autres. « Cette configuration permet le transfert de charge entre les fibres ainsi que le transport des ions lithium, explique Gaël Guégan, ingénieur veille stratégique au Cetim, et auteur d’une note sur ce sujet. Ce qui n’est pas le cas des batteries standard qui sont constituées de matrices, par exemple en vinylester ou époxy sur des composites thermodurcissables. »

Gagner en poids : un atout de taille !

Ces nouveaux matériaux permettraient notamment d’alléger le véhicule. Ce qui permettrait au final de nécessiter d’accroître leur autonomie.

Il s’agit donc là d’une avancée majeure alors que la batterie au lithium-ion utilisée actuellement peut représenter jusqu’au tiers de la masse totale du véhicule électrique. Cette source d’énergie est si imposante que si elle était installée pour alimenter les propulseurs d’un avion, son poids l’empêcherait de décoller.

Retirer la moitié du poids du véhicule permet de doubler son autonomie, selon les experts. Qui estiment que choisir un matériau qui stocke l’énergie nécessaire à la propulsion et qui sert également à supporter la charge mécanique de la voiture sera considéré comme un réel avantage. »

Un changement majeur qui pourrait s’appliquer sur tous les types de transport, allant des vélos électriques jusqu’aux avions de petite taille.

Un important gain de place

Une batterie lithium-ion traditionnelle empile plusieurs éléments, dont le séparateur, l’électrolyte, la cathode et l’anode, dans une boîte hermétique, avec pour objectif de restreindre l’encombrement.

Dans le cas de la batterie structurelle, le gain de place s’obtient par le biais des couches très fines de matériaux composites, qui s'intégreront dans la carrosserie automobile. Les chercheurs ont fait appel à une feuille d’aluminium, capable de jouer le rôle de cathode et d’anode.

Une feuille très fine de verre tissé sépare les électrodes, et le tout est placé en suspension dans un électrolyte en polymère. L’épaisseur de l’ensemble se chiffre à quelques « millionièmes de mètre » selon ses inventeurs, une particularité qui facilite son intégration dans n’importe quel type de structure.

D’importants obstacles demeurent à surmonter

Avant d’atteindre la production de masse, d’importants obstacles devront néanmoins être surmontés.

Parmi les principaux défis à surmonter : la conception même de ces matériaux multifonctionnels et d’industrialisation. Mais l’enjeu en vaut la chandelle, les perspectives étant très encourageantes.

Kitty Hawk, société US, a mis au point un petit avion électrique dénommé Cora, au gabarit proche de celui d’un taxi volant, et équipé de batteries structurelles dont l’énergie spécifique atteint 220 wattheures par kilogramme. Or, selon les spécialistes, pour développer le marché des voitures volantes, il est couramment admis qu’il faudrait atteindre 400 wattheures par kilogramme », il ne reste donc plus qu’un facteur de deux pour atteindre cet objectif.

Reste à savoir cependant si cette technologie aura la capacité de mouvoir un SUV ou une grosse berline 100 % électrique ? Les scientifiques ont bon espoir, même si aujourd'hui la densité de cette batterie structurelle s’élève à 24 Wh/kg, soit environ un cinquième de celle des modèles « standards » actuels.

Ses créateurs ambitionnent toutefois d’atteindre rapidement les 75 Wh/kg de densité, en optimisant l’élasticité de la structure. Ils comptent y parvenir en remplaçant les électrodes en feuilles d’aluminium par des variantes en fibre de carbone, un matériau plus souple, plus conducteur et très facile à façonner.

Les performances obtenues avec cette nouvelle batterie structurelle se révèlent tout de même 10 fois supérieures à celles d’autres projets concurrents menés par le passé.

Plusieurs projets en Europe

Plusieurs projets de développement de cette technologie sont d’ores et déjà menés en Europe, notamment celui baptisé SORCERER (Structural pOweR CompositEs foR futurE civil aiRcraft) réunissant quatre universités européennes : l’Imperial College London au Royaume-Uni, l’IMDEA (Instituto Madrileño de Estudios Avanzados) en Espagne ainsi que le KTH (Kungliga Tekniska högskolan) et l’Université technologique de Chalmers en Suède.

En plus d’améliorer les performances électriques et mécaniques de ces matériaux multifonctionnels, son objectif est de résoudre les problèmes liés à leur intégration et à leur mise à l’échelle.

Une robustesse non négligeable

Autre qualité et non des moindres des batteries structurelles : leur robustesse, qui semble pourtant contraster de premier abord avec sa finesse et son extrême flexibilité.

La batterie fusionnée à la carrosserie de l’Université de Chalmers aurait obtenu d’excellents résultats aux tests de résistance aux forces de tension et de torsion. Ces cellules s’avèrent en outre plus sûres que les accumulateurs traditionnels, en raison de l’absence de substances inflammables dans l’électrolyte.

Tesla très avancé dans le domaine

Tesla semble particulièrement avancé dans ce domaine. Le constructeur a annoncé que son Model Y, qui sera produit dans sa gigafactory à Berlin, sera équipé de batteries structurelles, tout comme son modèle S Plaid.

Tesla semble donc disposer non seulement une longueur d’avance sur les aspects électriques, mais aussi en l’occurrence sur les systèmes de stockage.

Ces batteries structurelles devraient être intégrées dans le plancher des véhicules, à l’aide d’une presse hydraulique de 8 000 tonnes qui sera capable de fabriquer à terme ces planchers en une seule pièce.

Le constructeurs a annoncé que cette nouvelle technologie lui permettrait de multiplier par 5 l’énergie stockée, par 6 la puissance, et d’augmenter de 16 % l’autonomie du véhicule.

Notre avis, par leblogauto.com

A l’heure où d’énormes investissements sont réalisés pour bâtir des usines de batteries dites « conventionnelles » , la révolution pourrait être de taille … et bouleverser encore une fois le secteur automobile, pouvant massivement impacter les efforts financiers des constructeurs et donc leur rentabilité …

Il est vrai que cette nouvelle configuration rompt avec une longue tradition de l’industrie, qui veut que la source d’électricité soit une composante séparée, installée sous le capot d'une voiture ou dans un compartiment dédié.

A noter encore une fois, le très bon positionnement de Tesla dans le domaine, qui pourrait lui conférer une nouvelle suprématie non négligeable.

Sources : Electreck, Cetim