Construire des voitures à partir de batteries n'est pas aussi fou qu'il y paraît

Le coût élevé et l'autonomie limitée des véhicules électriques peuvent les rendre difficiles à vendre, et leurs composants les plus coûteux et les plus limitatifs sont leurs batteries.

Coffre d'alimentation : Un chercheur installe un nouveau couvercle de coffre en fibres de carbone qui stocke l'électricité.

Mais les batteries ouvrent également de nouvelles possibilités de conception car elles peuvent être façonnées de plus de façons que les réservoirs d'essence et parce qu'elles peuvent être constituées de matériaux porteurs. Si leurs chimies peuvent être rendues plus sûres, les batteries pourraient remplacer les panneaux de porte conventionnels et d'autres pièces de carrosserie, rendant potentiellement un véhicule beaucoup plus léger, plus spacieux et moins cher. Cela pourrait aider dans une certaine mesure à aider les voitures électriques à concurrencer celles à essence.

Tesla Motors et Volvo ont démontré les premières versions de l'approche générale en construisant des blocs-batteries qui peuvent remplacer une partie du matériau structurel d'une voiture conventionnelle. Des dizaines d'autres groupes de recherche et entreprises prennent de nouvelles mesures pour fabriquer des batteries qui remplacent les pièces de carrosserie existantes, telles que les panneaux de carrosserie et les cadres.

La capacité d'utiliser des batteries comme matériaux structurels est actuellement limitée par l'utilisation d'électrolytes inflammables, mais les chercheurs développent des produits chimiques plus sûrs qui pourraient être utilisés plus largement. L'approche soulève également plusieurs questions pratiques : les panneaux de carrosserie à stockage d'énergie peuvent-ils être conçus de manière à ce que même s'ils sont cabossés, la voiture fonctionnera toujours ? Et combien coûtera la carrosserie? Cependant, les constructeurs automobiles pourraient se tourner vers l'approche sous la pression de vendre plus de véhicules électriques et hybrides pour répondre aux futures normes strictes d'économie de carburant.

Les batteries sont l'article le plus cher des voitures électriques, donc les rendre moins chères rendrait également les véhicules électriques moins chers. Mais même sans percées significatives, de nouvelles conceptions de batteries pourraient rendre une voiture plus légère.

Un exemple est la façon dont Tesla a conçu la batterie de la Model S. Le boîtier métallique qui protège la batterie sert également à rendre le châssis de la voiture plus rigide, réduisant ainsi la quantité globale de métal nécessaire (voir Comment Tesla conduit l'innovation dans les voitures électriques).

Ce mois-ci, Volvo a présenté une autre approche utilisant des batteries lithium-ion, qui sont constituées de films minces de matériau qui sont enroulés ou pliés pour former une cellule de batterie. Les chercheurs du Université de technologie de Lulea en Suède en collaboration avec Volvo a pris ces films en sandwich entre des feuilles de composite en fibre de carbone. La structure résultante a été utilisée pour remplacer des pièces de carrosserie en plastique et une petite batterie conventionnelle sur une version hybride de la Volvo S80. (La voiture est un hybride stop-start qui utilise une batterie pour permettre d'éteindre le moteur lorsque la voiture ne bouge pas.)

Le ministère de l'Énergie des États-Unis Agence des projets de recherche avancée pour l'énergie consacre 37 millions de dollars à des projets visant à utiliser des batteries comme matériaux de structure. (Le programme s'appelle RANGE, qui signifie Robust, Affordable, Next-Generation Energy Storage Systems). Dans deux projets ARPA-E, les chercheurs trouvent des moyens de concevoir des blocs-batteries pour absorber l'énergie en cas d'accident afin de remplacer les matériaux désormais utilisés pour protéger les passagers. Par exemple, plutôt que d'emballer les cellules de la batterie dans un bloc solide, les cellules pourraient être autorisées à se croiser en cas d'accident, en dissipant de l'énergie comme elles le font.

La plupart des approches explorées jusqu'à présent utilisent encore des cellules de batterie conventionnelles, les parties du pack qui stockent réellement l'énergie. Si des cellules de batterie plus sûres peuvent être fabriquées, cela offrirait encore plus de flexibilité dans la façon dont une voiture peut être conçue. Vous n'auriez pas besoin de les enfermer dans des étuis de protection ou de réguler leur température pour éviter les incendies de batterie.

Lorsque vous n'êtes pas obsédé par la protection des batteries, vous pouvez être beaucoup plus créatif. Vous n'êtes pas limité à l'architecture des voitures conventionnelles, dit Ping Liu , qui gère et a aidé à concevoir le projet RANGE de l'ARPA-E.

À cette fin, plusieurs chercheurs développent de nouvelles chimies qui n'utilisent pas d'électrodes inflammables, de sorte que les batteries pourraient être utilisées en toute sécurité comme panneaux de porte. Ils envisagent de remplacer les électrolytes volatils par des polymères moins inflammables, des matériaux à base d'eau et des céramiques (voir Batteries à semi-conducteurs ). Une fois qu'ils auront un électrolyte plus sûr, les chercheurs chercheront des moyens d'utiliser les électrodes de la batterie dans une cellule pour supporter des charges.

Volvo a une version expérimentale de cette approche qui utilise des fibres de carbone dans des matériaux composites pour stocker et conduire l'électricité mais aussi pour renforcer les composites. L'appareil avait la forme d'un couvercle de coffre. Mais il ne pouvait produire que suffisamment d'électricité pour allumer certaines LED, il ne pouvait donc pas remplacer la batterie d'une voiture électrique ou hybride. Une nouvelle version en cours de développement à Collège impérial de Londres remplace l'époxyde qui maintient habituellement ensemble les fibres de carbone dans un composite par un mélange de matériaux rigides et de liquides ioniques pouvant conduire des molécules chargées. Cela forme un type de supercondensateur qui pourrait stocker suffisamment d'énergie pour être utilisé à la place d'une batterie dans un hybride stop-start.

Pour les voitures électriques et hybrides avec des batteries plus grosses, les supercondensateurs ne stockent pas assez d'énergie. Ainsi, pour offrir une autonomie suffisante, certains chercheurs développent des batteries lithium-ion qui utilisent des fibres de carbone pour une électrode, mais utilisent des matériaux lithium-ion conventionnels pour l'autre. D'autres ont développé un électrolyte polymère non volatil pour remplacer les électrolytes conventionnels inflammables. Le matériau résultant permettra de faire deux travaux avec une seule chose, dit Leif Asp , professeur à l'Université de Lulea. Plusieurs projets de l'ARPA-E adoptent ce type d'approche.

Cependant, ces nouveaux électrolytes et cellules de batterie porteuses sont probablement dans plus d'une décennie avant d'être utiles dans les voitures. Il sera difficile de garantir que la batterie stocke de grandes quantités d'énergie et peut également être suffisamment solide en tant que composant structurel.

Asp dit que les premières applications pourraient être dans l'électronique portable, où les batteries porteuses pourraient remplacer les boîtiers en plastique conventionnels. Mais si les composants automobiles peuvent un jour être fabriqués à partir de tels matériaux, les batteries pourraient enfin passer d'un facteur limitatif à un argument de vente.

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