211service.com
Pourquoi nous n'avons pas de percées de batterie
Une avancée prometteuse qui n'a abouti à rien suggère ce qu'il faudra pour fabriquer des batteries bon marché pour les voitures électriques. 10 février 2015
Les voitures électriques sont rapides et silencieuses, avec une autonomie plus que suffisante pour la plupart des déplacements. Si vous voulez une voiture avec une accélération extrêmement rapide, la Tesla Model S est difficile à battre. Et, bien sûr, les véhicules électriques évitent la pollution associée aux voitures conventionnelles, y compris les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion de l'essence. Pourtant, ils ne représentent qu'une infime partie des ventes automobiles, principalement parce que les batteries qui les propulsent sont chères et doivent être rechargées fréquemment.
Une meilleure batterie pourrait tout changer. Mais alors que d'innombrables percées ont été annoncées au cours de la dernière décennie, à maintes reprises, ces avancées n'ont pas réussi à se traduire par des batteries commerciales avec quoi que ce soit comme les améliorations promises en matière de coût et de stockage d'énergie. Certaines startups bien financées, notamment A123 Systems, ont commencé avec des affirmations audacieuses mais n'ont pas réussi à livrer (voir Qu'est-il arrivé à A123? ).
Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2015
- Voir la suite du problème
- S'abonner
La centrale électrique, un nouveau livre du journaliste Steve LeVine, raconte l'histoire derrière l'une des annonces de batterie les plus dramatiques de ces dernières années et explique comment cela n'a abouti à rien (voir La triste histoire de la percée de la batterie qui s'est avérée trop belle pour être vraie). L'annonce a été faite en février 2012, lors d'une conférence à Washington, DC, où une foule de chercheurs, d'entrepreneurs et d'investisseurs étaient venus entendre des personnalités comme Bill Gates et Bill Clinton exposer l'importance des nouvelles technologies énergétiques - et aussi pour puisez dans l'une des plus récentes sources de financement à Washington, l'Advanced Research Projects Agency for Energy, ou ARPA-E. Fondée en 2009, l'ARPA-E avait été chargée d'identifier les recherches potentiellement transformationnelles. Le patron de cette agence, Arun Majumdar, était prêt à dévoiler l'un de ses premiers grands succès : une cellule de batterie, développée par la startup Envia, capable de stocker deux fois plus d'énergie qu'une cellule conventionnelle. Le coût d'une batterie qui pourrait transporter une voiture de Washington à New York sans recharge, a déclaré Majumdar, passerait de 30 000 $ à 15 000 $. Les voitures électriques deviendraient beaucoup plus abordables et pratiques (voir A Big Jump in Battery Capacity ).
En quelques mois, GM a autorisé la technologie et signé un accord pour soutenir son développement, obtenant le droit d'utiliser toutes les batteries résultantes. L'accord valait potentiellement des centaines de millions de dollars pour Envia, écrit LeVine. Mais bientôt Envia recevait des messages frustrés des ingénieurs de GM qui ne pouvaient pas reproduire les résultats de la startup. L'année suivant l'annonce, l'accord a été sabordé. L'impressionnante batterie d'Envia avait été un coup de chance.
Choses examinées
La centrale électrique
Par Steve LeVine
Viking, 2015
Le récit de LeVine sur le travail d'Envia montre pourquoi des progrès majeurs dans les batteries sont si difficiles à réaliser et pourquoi les startups qui promettent des percées révolutionnaires ont eu du mal. Au cours de la dernière décennie, nous avons constaté des améliorations remarquables dans cette industrie, mais elles proviennent en grande partie d'entreprises établies qui progressent régulièrement.
La cellule d'Envia était un nouveau type de batterie lithium-ion. Inventées à la fin des années 1970 et au début des années 1980 et commercialisées dans les années 1990, ces batteries génèrent du courant électrique lorsque les ions lithium font la navette entre deux électrodes. Légers mais puissants, ils ont transformé l'électronique portable. Leur utilisation dans les voitures électriques est cependant récente. Dans les années 1990, GM utilisait des batteries plomb-acide moins chères pour son EV-1 électrique ; chaque batterie pesait 600 kilogrammes encombrants et n'a parcouru que 55 à 95 miles avant de devoir être rechargée. Lorsque Tesla Motors a présenté l'une des premières voitures électriques alimentées au lithium-ion en 2008, elle pouvait parcourir 250 miles avec une charge, soit environ trois fois plus loin que l'EV-1. Mais le véhicule a coûté plus de 100 000 $, en grande partie parce que les batteries étaient si chères. Pour réduire les coûts, les voitures électriques au lithium-ion fabriquées aujourd'hui par des sociétés telles que Nissan et GM utilisent de petites batteries avec une autonomie inférieure à 100 miles.
Alors que d'innombrables percées ont été annoncées au cours de la dernière décennie, à maintes reprises, ces avancées n'ont pas réussi à se traduire par des batteries commerciales.
Une chose difficile à propos du développement de meilleures batteries est que la technologie est encore mal comprise. Changer une partie d'une batterie, par exemple en introduisant une nouvelle électrode, peut entraîner des problèmes imprévus, dont certains ne peuvent être détectés sans des années de tests. Pour réaliser les types d'avancées recherchées par les investisseurs en capital-risque et l'ARPA-E, Envia a incorporé non seulement un mais deux matériaux d'électrode expérimentaux.
LeVine décrit ce qui n'a pas fonctionné. En 2006, Envia avait obtenu une licence pour un matériau prometteur développé par des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne. Par la suite, un problème majeur a été découvert. Le problème - qu'un dirigeant d'une entreprise de batteries a appelé un facteur catastrophique - était qu'au fil du temps, la tension à laquelle la batterie fonctionnait changeait d'une manière qui la rendait inutilisable. Les chercheurs d'Argonne ont étudié le problème et n'ont trouvé aucune réponse toute faite. Ils ne comprenaient pas assez bien la chimie et la physique de base du matériau pour saisir précisément ce qui n'allait pas, et encore moins le réparer, écrit LeVine.
Un coup d'œil à l'intérieur d'une Tesla Model S montre la batterie, une dalle grise qui occupe la majeure partie de l'espace entre les roues avant et arrière.
Avec son matériau expérimental pour l'électrode opposée, celle-ci à base de silicium, Envia a relevé un autre défi. Les chercheurs avaient apparemment résolu le problème majeur des électrodes en silicium : leur tendance à se désagréger. Mais la solution nécessitait des techniques de fabrication peu pratiques.
Quand Envia a fait son annonce en 2012, il semblait avoir compris comment faire fonctionner ces deux matériaux expérimentaux. Il a développé une version de l'électrode de silicium qui pourrait être fabriquée à moindre coût. Et par essais et erreurs, il était tombé sur une combinaison de revêtements qui stabilisait la tension du matériau Argonne. Le cofondateur d'Envia, Sujeet Kumar, a compris que la réponse était un composite de revêtements, écrit LeVine. Mais il ne savait toujours pas ce que le composite arrêtait ou pourquoi il réussissait à le faire. Comme Envia était une startup avec des fonds limités, il n'avait pas les instruments pour le comprendre. Mais une fois qu'il est devenu évident que les résultats qu'Envia avait rapportés pour sa batterie ne pouvaient pas être reproduits, la compréhension du problème est devenue cruciale. Même de minuscules changements dans la composition d'un matériau peuvent avoir un impact significatif sur les performances, donc pour autant qu'Envia le sache, sa batterie record a fonctionné à cause d'un contaminant dans un lot de matériau de l'un de ses fournisseurs.
L'histoire d'Envia contraste fortement avec ce qui s'est avéré être l'effort récent le plus réussi pour réduire le prix des batteries et améliorer leurs performances. Ce succès n'est pas le fruit d'une percée mais du partenariat étroit entre Tesla Motors et le principal fournisseur de cellules de batterie Panasonic. Depuis 2008, le coût des batteries de Tesla a été réduit de moitié environ, tandis que la capacité de stockage a augmenté d'environ 60 %. Tesla n'a pas tenté de changer radicalement la chimie ou les matériaux des batteries lithium-ion ; au lieu de cela, il a apporté des améliorations supplémentaires à l'ingénierie et à la fabrication. Il a également travaillé en étroite collaboration avec Panasonic pour ajuster la chimie des matériaux de batterie existants en fonction des besoins précis de ses voitures.
Depuis 2008, le coût des batteries de Tesla a été réduit de moitié environ, tandis que la capacité de stockage a augmenté d'environ 60 %.
Tesla affirme qu'il est sur la bonne voie pour produire une voiture électrique de 35 000 $ avec une autonomie d'environ 200 milles d'ici 2017, un exploit équivalent à ce que GM espérait réaliser avec la nouvelle batterie d'Envia. La société prévoit de vendre des centaines de milliers de ces voitures électriques par an, ce qui serait un grand pas en avant par rapport aux dizaines de milliers qu'elle vend actuellement. Pourtant, pour que les voitures électriques représentent une part importante des quelque 60 millions de voitures vendues chaque année dans le monde, les batteries devront probablement s'améliorer considérablement. Après tout, 200 milles sont bien en deçà des 350 milles et plus que les gens ont l'habitude de conduire avec un réservoir d'essence, et 35 000 $, c'est encore un peu plus que le prix de 15 000 $ de nombreuses petites voitures à essence.
Comment comblerons-nous l'écart? Il y a probablement encore beaucoup de place pour améliorer les batteries lithium-ion, bien qu'il soit difficile d'imaginer que le succès de Tesla avec des changements mineurs dans la chimie des batteries se poursuivra indéfiniment. À un moment donné, des changements radicaux tels que ceux envisagés par Envia pourraient être nécessaires. Mais la leçon à tirer du fiasco d'Envia est que de tels changements doivent être étroitement intégrés à l'expertise en matière de fabrication et d'ingénierie.
Cette approche donne déjà des résultats prometteurs avec le matériau Argonne sous licence d'Envia. La batterie d'Envia fonctionnait à des tensions élevées pour atteindre des niveaux élevés de stockage d'énergie. Aujourd'hui, les fabricants de batteries découvrent que l'utilisation de niveaux de tension plus modestes peut augmenter considérablement le stockage d'énergie sans les problèmes qui ont troublé Envia. Pendant ce temps, les chercheurs sur les batteries publient des articles qui montrent comment des traces d'additifs modifient le comportement des matériaux, permettant d'augmenter la tension et le stockage d'énergie. La clé est de combiner la recherche qui éclaire les détails sur la chimie et la physique des batteries avec l'expertise que les fabricants de batteries ont acquise dans la fabrication de produits pratiques.
C'est une industrie dans laquelle il est très difficile pour une startup, aussi alléchante que soit sa technologie, de faire cavalier seul. Andy Chu, un ancien dirigeant d'A123 Systems, qui a fait faillite en 2012, m'a récemment expliqué pourquoi les grandes entreprises dominent l'industrie des batteries. Le stockage d'énergie est un jeu joué par les grands joueurs car il y a tellement de choses qui peuvent mal tourner dans une batterie, a-t-il déclaré. J'espère que les startups réussissent. Mais vous pouvez regarder l'histoire au cours des dernières années, et ça n'a pas été bon.