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Une startup électrisante
C'est la moto électrique la plus rapide au monde. Sur une vidéo YouTube populaire, le cycle de dragster noir disparaît presque dans un nuage de fumée alors que le conducteur fait un burn-out, faisant tourner la roue arrière pour le chauffer. Au fur et à mesure que la fumée s'éloigne, le conducteur s'installe et appuie sur un interrupteur, et le vélo avance, accélérant à 60 milles à l'heure en moins d'une seconde. Sept secondes plus tard, il franchit la barre des quarts de mille à 168 milles à l'heure, ce qui est assez rapide pour rivaliser avec les dragsters à essence.
Impact latéral : Une batterie conçue par A123 Systems pour le véhicule électrique Volt de GM peut survivre à un test de sécurité écrasant. L'impact à grande vitesse aurait pu provoquer une surchauffe et un incendie d'autres batteries lithium-ion.
Ce qui alimente le Killacycle est une nouvelle batterie lithium-ion développée par A123 Systems, une startup de Watertown, MA, l'une des quelques entreprises travaillant sur une technologie similaire. Les batteries de l'entreprise stockent plus de deux fois plus d'énergie que les batteries nickel-hydrure métallique, du type utilisé dans les voitures hybrides d'aujourd'hui, tout en fournissant les rafales de puissance nécessaires pour des performances élevées. Une version radicalement modifiée des batteries lithium-ion utilisées dans l'électronique portable, la technologie pourrait relancer le marché des véhicules électriques à longue pulvérisation, qui représente aujourd'hui une infime fraction de 1% des ventes de véhicules aux États-Unis. Les batteries de l'A123 en particulier ont suscité l'intérêt de General Motors, qui les teste comme moyen d'alimenter la Volt, une voiture électrique avec un générateur à essence ; le véhicule devrait entrer en production de masse dès 2010.
Dans le passé, les constructeurs automobiles attribuaient les faibles ventes des véhicules électriques à leurs batteries plomb-acide ou nickel-hydrure métallique, qui étaient si lourdes qu'elles limitaient l'autonomie des véhicules et si encombrantes qu'elles prenaient de la place dans le coffre. Alors que les batteries lithium-ion conventionnelles sont beaucoup plus légères et plus compactes, elles ne sont pas rentables pour les véhicules électriques. C'est en partie parce qu'ils utilisent des électrodes d'oxyde de lithium et de cobalt, qui peuvent être instables : les batteries basées sur celles-ci s'usent après quelques années et peuvent s'enflammer si elles sont perforées, écrasées, surchargées ou surchauffées. Certains constructeurs automobiles ont essayé de contourner ces problèmes, mais les résultats ont été coûteux.
Les batteries de l'A123 pourraient enfin rendre la technologie lithium-ion pratique pour l'industrie automobile. Au lieu d'oxyde de cobalt, ils utilisent un matériau d'électrode fabriqué à partir de nanoparticules de phosphate de fer et de lithium modifié avec des métaux traces. Il est peu probable que les batteries résultantes prennent feu, même si elles sont écrasées lors d'un accident. Elles sont également beaucoup plus résistantes que les batteries lithium-ion conventionnelles : A123 prédit qu'elles dureront plus longtemps que la durée de vie typique d'une voiture.
Cahier du journaliste : Kevin BullisLa promesse de la batterie a fait d'A123 l'une des startups technologiques les mieux financées du pays, avec 148 millions de dollars d'investissements en capital-risque à ce jour. Avec le financement, A123 a poursuivi un plan d'affaires ambitieux qui l'oblige à tout faire, de la mise au point du matériau à la fabrication de batteries et à leur vente aux clients des secteurs de l'automobile et des outils électriques.
Les batteries A123 pour la Volt de GM stockent suffisamment d'énergie pour 40 miles de conduite, assez pour couvrir les trajets quotidiens. (Sur les trajets plus longs, le petit moteur à essence se mettrait en marche pour recharger la batterie, étendant l'autonomie à plus de 400 milles.) GM prévoit de vendre les véhicules pour environ 30 000 $ à 35 000 $; la société pense pouvoir en vendre des centaines de milliers à ce prix au cours des premières années, et J. D. Power and Associates estime que GM en vendra près de 300 000 d'ici 2014.
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Les matériaux comptent
Début 2001, un entrepreneur vénézuélien de 26 ans nommé Ric Fulop est entré dans le bureau de Yet-Ming Chiang, professeur de science des matériaux au MIT, sans rendez-vous. Il vient de se présenter et a frappé à la porte, se souvient Chiang. Fulop, qui avait déjà fondé trois entreprises financées par du capital-risque, voulait de l'aide pour démarrer une entreprise de batteries, et il savait que Chiang menait des recherches sur les batteries impliquant la nanotechnologie. Chiang lui-même avait cofondé une startup à succès à la fin des années 1980, mais il a passé la plupart de son temps à faire des recherches sur la nanotechnologie et la chimie des céramiques avancées.
À l'automne, Fulop et Chiang, ainsi que Bart Riley, un ingénieur que Chiang connaissait de sa précédente entreprise, avaient cofondé A123 Systems. Le plan était de commercialiser l'une des idées les plus radicales de Chiang : des matériaux qui, une fois mélangés, s'assembleraient spontanément pour former une batterie fonctionnelle. Le procédé promettait de multiplier la capacité de stockage d'énergie tout en réduisant les coûts de fabrication.
La grande idée de Chiang s'est avérée être un succès auprès des investisseurs. À la fin de 2001, une première ronde de financement avait rapporté 8,3 millions de dollars de diverses sociétés de capital-risque. Motorola et Qualcomm, intrigués par la perspective de meilleures batteries pour les appareils électroniques portables, ont rapidement ajouté 4 millions de dollars. Mais il est rapidement devenu évident qu'une batterie commerciale à assemblage automatique était à des années de la réalité. La technologie était encore assez rudimentaire, dit Chiang.
Au début de 2002, cependant, Chiang a fait une découverte surprenante qui allait complètement changer la direction de l'entreprise. Il avait commencé à travailler avec du phosphate de fer et de lithium, qui est non toxique, sûr et peu coûteux, contrairement aux matériaux utilisés dans d'autres batteries lithium-ion. Mais il semblait avoir de sérieux inconvénients. Il stocke moins d'énergie que l'oxyde de cobalt et de lithium, le matériau d'électrode des batteries lithium-ion conventionnelles, il semblait donc inapproprié pour une utilisation dans l'électronique portable, où le stockage d'énergie est primordial. De plus, il se charge et se décharge lentement, ce qui exclut son utilisation dans des applications à haute puissance telles que les véhicules électriques hybrides ; même pour les voitures entièrement électriques, qui utilisent beaucoup plus de cellules de batterie que les hybrides, le matériau ne pouvait pas fournir suffisamment de puissance.
Alors Chiang a commencé à le modifier en ajoutant des traces de métaux. Bientôt, le matériau déchargeait de l'énergie à des taux relativement élevés. À la mi-2002, il s'est envolé pour Monterey, en Californie, pour présenter ses découvertes lors d'une conférence. Pendant qu'il était là-bas, un étudiant diplômé du MIT a continué à passer des tests. Au moment où Chiang devait parler, le matériel fonctionnait à des taux quatre fois supérieurs à ceux qu'il était venu annoncer. À ce moment-là, nous savions que nous avions quelque chose de spécial, dit-il.
Finalement, Chiang démontrerait que le matériau pouvait fournir des rafales d'électricité à un taux 10 fois supérieur à celui utilisé dans les batteries lithium-ion conventionnelles. Après avoir étudié en détail le matériau hautement performant, il a déterminé qu'il devait sa puissance à la fois à la taille des particules qu'il avait utilisées (moins de 100 nanomètres) et à l'ajout de métaux supplémentaires. La combinaison de ces facteurs, dit-il, provoque une différence fondamentale dans la façon dont les atomes qui composent le matériau se réorganisent lorsqu'ils reçoivent et libèrent une charge.
Emballé: Les cellules de batterie de l'A123 (ci-dessus) ont été intégrées dans un pack en forme de T conçu par la société allemande Continental.
Dans toutes les batteries lithium-ion, l'électricité est générée lorsque les ions lithium font la navette entre deux électrodes tandis que les électrons traversent un circuit externe. Dans les premières expériences de Chiang avec le phosphate de fer et de lithium, les parties du matériau qui contenaient du lithium se séparaient de celles qui n'en contenaient pas lorsque les ions lithium entraient et sortaient d'une électrode. Cela a changé la structure cristalline du matériau et ses performances se sont détériorées. Mais, a découvert Chiang, lorsque les particules de phosphate de fer et de lithium sont suffisamment petites et que l'électrode a été modifiée ou dopée par l'ajout d'autres métaux, la structure cristalline du matériau change beaucoup moins. En conséquence, les ions lithium peuvent entrer et sortir plus rapidement, sans dégrader le matériau. Dans l'ensemble, Chiang a découvert que le matériau modifié se chargeait et se déchargeait plus rapidement que le phosphate de fer et de lithium ordinaire, et qu'il durait également plus longtemps.
Aussi extraordinaire que puisse être le nouveau matériau de la batterie, Chiang s'est immédiatement rendu compte qu'il n'était pas idéal pour les appareils électroniques portables. Il ne semblait pas y avoir de marché prêt pour les batteries légères et compactes qui fournissaient de grandes rafales de puissance. Les véhicules hybrides, un choix naturel, commençaient seulement à apparaître sur le marché. Ce que Chiang ne savait pas, c'est qu'une grande entreprise d'outils électriques travaillait tranquillement sur une nouvelle génération d'outils sans fil et qu'elle avait du mal à trouver une batterie qui répondrait à ses besoins.
Démarrage puissant
En 2003, des représentants de Black and Decker ont rencontré le PDG de Fulop et A123, Dave Vieau, et leur ont dit qu'ils voulaient fabriquer des outils électriques sans fil qui fonctionneraient mieux que les outils branchés au mur. Le matériau d'A123 semblait être un ajustement parfait. En courtes rafales, il peut fournir plus de puissance qu'un circuit domestique. Et il avait d'autres caractéristiques qui seraient attrayantes sur un chantier de construction. Il peut être rechargé rapidement (jusqu'à 80 % de sa capacité en 12 minutes ou moins), et contrairement aux batteries à base d'oxyde de lithium et de cobalt, il peut survivre à un traitement sévère sans prendre feu.
C'était du moins la théorie. Lorsque Fulop et Vieau ont rencontré Black et Decker pour la première fois, ils n'avaient qu'un modèle de cellule de batterie, un demi-gramme de matériel et une présentation PowerPoint. Ce dont Black and Decker avait besoin, c'était d'une entreprise capable de produire des millions de batteries. L'accent a été mis sur le matériau, mais ce que nous avons dû apprendre à faire, c'est concevoir la cellule complète, dit Chiang.
Moins d'un an après la signature de son accord initial avec Black and Decker, cependant, A123 avait produit une batterie commercialement réalisable. En novembre 2005, ses premiers produits sortaient des chaînes de montage en Asie. En moins de trois ans, l'entreprise est passée de la construction d'une batterie de démonstration de la taille d'une pièce de monnaie à la construction de machines de revêtement de 50 mètres de long et d'usines de 28 000 mètres carrés gérées par des centaines d'employés. En 2006, les clients achetaient ses batteries dans une nouvelle gamme d'outils professionnels vendus par Black and Decker. En peu de temps, A123 fabriquait des batteries au rythme de millions par an.
Fabrication allemande : Le pack en forme de T (ci-dessus) contient les cellules de batterie de l'A123. GM teste le pack dans des conditions de conduite simulées avant de le boulonner dans un prototype de véhicule électrique.
Recharger les voitures
Pendant ce temps, GM repensait sa stratégie technologique alors que Toyota commençait à dominer le marché des véhicules hybrides. Un hybride utilise une batterie seulement une partie du temps, s'appuyant sur un moteur à essence pour une grande partie de sa puissance. GM a décidé de développer une voiture qui permettrait à ses clients d'arrêter complètement d'utiliser de l'essence pour la plupart des trajets quotidiens. Mais pour y parvenir, le constructeur automobile avait besoin d'une batterie fiable et performante. Et pour cela il s'est tourné vers l'A123.
GM savait qu'il voulait utiliser des batteries lithium-ion en raison de leur capacité de stockage, explique Denise Gray, directrice des systèmes de stockage d'énergie de GM. Mais il savait aussi que la technologie existante ne ferait pas l'affaire. Bien qu'une batterie d'ordinateur portable au lithium-ion puisse survivre à 500 cycles complets de charge et de décharge avant que sa capacité ne diminue, aucun propriétaire de voiture ne souhaite acheter une nouvelle batterie tous les 18 mois. Selon les projections d'A123, cependant, ses batteries devraient être capables de fournir plus de 15 ans de charges quotidiennes. Et en plus d'être plus sûres que les autres batteries lithium-ion, les A123 fonctionnent à une température plus basse, ce qui facilite le regroupement de centaines d'entre elles dans une grande batterie, explique Gray.
Là où les batteries des outils électriques de l'A123 sont cylindriques, la batterie qu'il a développée pour la Volt est plate, pour économiser de l'espace et dissiper plus efficacement la chaleur. Les cellules ont été assemblées dans des packs de batteries complets, en forme de T et longs de près de deux mètres. Ce printemps, les batteries seront boulonnées dans des prototypes de véhicules pour des essais sur route. Et plus tard cette année, A123 prévoit d'augmenter la production de batteries pour répondre à la demande anticipée. Les premières voitures équipées de la technologie A123 pourraient sortir des chaînes de montage en 2010. (GM teste également les batteries d'une autre société et pourrait utiliser des batteries de l'une ou des deux sociétés.)
Si la Volt est populaire, les voitures électriques pourraient enfin commencer à décoller, ce qui pourrait réduire les émissions de gaz à effet de serre et la consommation de pétrole. Une étude récente de l'Electric Power Research Institute et du Natural Resources Defense Council suggère que des véhicules électriques similaires à la voiture de GM pourraient éliminer des milliards de tonnes d'émissions de gaz à effet de serre entre 2010 et 2050. Une étude de General Electric indique que si la moitié des véhicules sur la route en 2030 sont électriques, la consommation de pétrole aux États-Unis diminuera de six millions de barils par jour.
Et les batteries comme celles de l'A123 pourraient avoir des répercussions bien au-delà de la Volt. Même les voitures équipées de moteurs à combustion interne sont conçues pour dépendre davantage de l'électricité : les exemples les plus simples impliquent des batteries rechargées par des alternateurs gonflés qui permettraient à une voiture d'éteindre son moteur à l'approche d'un feu de circulation et de redémarrer lorsque le conducteur appuie sur l'accélérateur. . Dans les hybrides conventionnels, les versions des batteries A123 peuvent fournir autant de puissance que les batteries nickel-hydrure métallique à un cinquième du poids. Les nouvelles batteries pourraient également bénéficier aux hybrides rechargeables, qui peuvent être rechargés à partir d'une prise électrique standard. En effet, les batteries de l'A123 pourraient être utilisées dans une version plug-in du SUV hybride Saturn Vue qui devrait sortir en 2010.
Quelle que soit leur conception, les futures voitures seront probablement beaucoup plus tributaires de l'électricité. Nous n'en sommes pas encore là, dit Chiang. Il n'y a pas de Volt partout. Mais le potentiel d'avoir un impact important, à la fois sur le problème de l'approvisionnement en pétrole et sur les gaz à effet de serre, je n'imaginais pas que nous serions capables de le faire. Certainement pas quand j'ai commencé à travailler sur les batteries.
Kevin Bullis est ENFANTS Rédacteur en nanotechnologie et science des matériaux.