Batteries structurelles : composites légers pour véhicules électriques

L'un des problèmes auxquels font face les ingénieurs développant des véhicules électriques (VE) est la masse des batteries nécessaires pour alimenter les moteurs. Les batteries sont lourdes. Cela signifie que pour obtenir de l'autonomie — l'une des caractéristiques les plus requises pour un VE — il faut une capacité de batterie suffisante… mais cela devient un cercle vicieux car plus de batterie signifie plus de masse et plus de masse signifie autonomie réduite.

Des chercheurs de l'Université de technologie de Chalmers en Suède ont développé une batterie qui pourrait résoudre ce problème car elle non seulement stocke de l'énergie (24 Wh/kg), mais fournit aussi un support structurel, avec une rigidité de 25 GPa.

Leif Asp, professeur à Chalmers et chef du projet de recherche, mené en collaboration avec le KTH Royal Institute of Technology (Stockholm, Suède), a déclaré : « Les tentatives précédentes pour créer des batteries structurelles ont abouti à des cellules avec soit de bonnes propriétés mécaniques, soit de bonnes propriétés électriques. Mais ici, en utilisant la fibre de carbone, nous avons réussi à concevoir une batterie structurelle avec à la fois une capacité de stockage d'énergie compétitive et une rigidité. »

Dans un article publié dans Advanced Energy and Sustainability Research (vol. 2, n° 3), Asp et ses coauteurs décrivent la batterie :

« Le composite de batterie structurelle consiste en une électrode négative en fibre de carbone [CF] et une électrode positive supportée par un film d'aluminium séparées par un séparateur en fibre de verre [GF] dans une matrice de matériau d'électrolyte de batterie structurelle [SBE]. Par conséquent, les CF agissent comme hôte pour le Li (matériau d'électrode actif), conduisent les électrons et renforcent le matériau. De même, la feuille d'électrode positive fournit une fonctionnalité mécanique et électrique combinée. Le SBE facilite le transport d'ions Li et transfère les charges mécaniques entre fibres, particules et plis. Deux types de séparateurs en tissu GF, un Whatman GF/A et une toile plate GF, sont utilisés comme matériaux modèles pour étudier les effets de l'épaisseur et de l'architecture du séparateur, ainsi que l'anisotropie du matériau, sur la performance multifonctionnelle. »

Actuellement, ils travaillent sur une nouvelle batterie structurelle avec le film d'aluminium remplacé par de la fibre de carbone et l'utilisation d'un séparateur en fibre de verre plus fin.

Asp prévoit que des recherches ultérieures aboutiront à une batterie avec une densité d'énergie de 75 Wh/kg et une rigidité de 75 GPa.

« Si vous regardez la technologie grand public », dit Asp, « il pourrait être tout à fait possible dans quelques années de fabriquer des smartphones, ordinateurs portables ou vélos électriques qui pèsent la moitié d'aujourd'hui et sont bien plus compacts. »