La batterie la plus solide du monde ouvre la voie à des véhicules légers et économes en énergie
La batterie pourrait rendre le téléphone portable aussi fin qu'une carte de crédit ou augmenter l'autonomie d'une voiture électrique de 70 % en une seule charge
Lorsque les voitures, les avions, les bateaux ou les ordinateurs sont construits à partir d'un matériau qui sert à la fois de batterie et de structure porteuse, le poids et la consommation d'énergie sont radicalement réduits. Un groupe de recherche de l'université technologique de Chalmers, en Suède, présente aujourd'hui une avancée mondiale dans le domaine du stockage d'énergie sans masse : une batterie structurelle qui pourrait réduire de moitié le poids d'un ordinateur portable, rendre un téléphone mobile aussi fin qu'une carte de crédit ou augmenter l'autonomie d'une voiture électrique de 70 % en une seule charge.
Les chercheurs Zhenyuan Xia, Richa Chaudhary et Leif Asp dans le laboratoire de graphène du département des sciences industrielles et des matériaux de l'université de technologie de Chalmers, en Suède.
Chalmers University of Technology | Henrik Sandsjö
"Nous avons réussi à créer une batterie en composite de fibres de carbone qui est aussi rigide que l'aluminium et suffisamment dense en énergie pour être utilisée commercialement. Tout comme un squelette humain, la batterie a plusieurs fonctions en même temps", explique Richa Chaudhary, chercheur à Chalmers et premier auteur d'un article scientifique récemment publié dans Advanced Materials.
Des recherches sur les batteries structurelles sont menées depuis de nombreuses années à Chalmers et, à certains stades, en collaboration avec des chercheurs de l'Institut royal de technologie (KTH) de Stockholm, en Suède. Lorsque le professeur Leif Asp et ses collègues ont publié leurs premiers résultats en 2018 sur la manière dont les fibres de carbone rigides et résistantes pouvaient stocker chimiquement l'énergie électrique, cette avancée a suscité une attention massive. La nouvelle selon laquelle les fibres de carbone peuvent servir d'électrodes dans les batteries lithium-ion a été largement diffusée et la réalisation a été classée parmi les dix plus grandes percées de l'année par le prestigieux Physics World.
Un poids plus faible nécessite moins d'énergie
Depuis lors, le groupe de recherche a poursuivi le développement de son concept afin d'accroître à la fois la rigidité et la densité énergétique. L'étape précédente a été franchie en 2021, lorsque la batterie avait une densité énergétique de 24 wattheures par kilogramme (Wh/kg), soit environ 20 % de la capacité d'une batterie lithium-ion comparable. Aujourd'hui, elle atteint 30 Wh/kg. Bien que ce chiffre soit encore inférieur à celui des batteries actuelles, les conditions sont très différentes. Lorsque la batterie fait partie de la construction et qu'elle peut être fabriquée dans un matériau léger, le poids total du véhicule est considérablement réduit. La quantité d'énergie nécessaire pour faire fonctionner une voiture électrique, par exemple, est alors moindre.
"Investir dans des véhicules légers et économes en énergie est une évidence si nous voulons économiser l'énergie et penser aux générations futures. Nous avons effectué des calculs sur les voitures électriques qui montrent qu'elles pourraient rouler jusqu'à 70 % plus longtemps qu'aujourd'hui si elles étaient équipées de batteries structurelles compétitives", explique Leif Asp, directeur de recherche et professeur au département des sciences industrielles et des matériaux de l'université Chalmers.
Lorsqu'il s'agit de véhicules, il faut bien sûr que la conception soit suffisamment solide pour répondre aux exigences de sécurité. La cellule de batterie structurelle de l'équipe de recherche a considérablement augmenté sa rigidité, ou plus précisément son module d'élasticité, mesuré en gigapascal (GPa), qui est passé de 25 à 70. Cela signifie que le matériau peut supporter des charges aussi bien que l'aluminium, mais avec un poids inférieur.
"En termes de propriétés multifonctionnelles, la nouvelle batterie est deux fois plus performante que la précédente - et même la meilleure jamais fabriquée au monde", déclare Leif Asp, qui mène des recherches sur les batteries structurelles depuis 2007.
Plusieurs étapes vers la commercialisation
Dès le départ, l'objectif était d'atteindre une performance permettant de commercialiser la technologie. Parallèlement à la poursuite des recherches, le lien avec le marché a été renforcé, par l'intermédiaire de Sinonus AB, la nouvelle société Chalmers Venture basée à Borås, en Suède.
Toutefois, il reste encore beaucoup de travail d'ingénierie à réaliser avant que les cellules de batterie ne passent de la fabrication en laboratoire à petite échelle à la production à grande échelle pour nos gadgets technologiques ou nos véhicules.
"On peut imaginer que les téléphones mobiles minces comme des cartes de crédit ou les ordinateurs portables qui pèsent moitié moins qu'aujourd'hui sont les plus proches dans le temps. Il se pourrait aussi que des composants tels que l'électronique dans les voitures ou les avions soient alimentés par des batteries structurelles. De gros investissements seront nécessaires pour répondre aux besoins énergétiques de l'industrie des transports, mais c'est aussi là que la technologie pourrait faire la plus grande différence", déclare Leif Asp, qui a constaté un grand intérêt de la part des industries automobile et aérospatiale.
En savoir plus : Recherche et batteries structurelles
Les batteries structurelles sont des matériaux qui, en plus de stocker de l'énergie, peuvent supporter des charges. Ainsi, le matériau de la batterie peut faire partie du matériau de construction d'un produit, ce qui permet de réduire considérablement le poids des voitures électriques, des drones, des outils portatifs, des ordinateurs portables et des téléphones mobiles, par exemple.
Les dernières avancées dans ce domaine ont été publiées dans l'article Unveiling the Multifunctional Carbon Fibre Structural Battery de la revue Advanced Materials. Les auteurs sont Richa Chaudhary, Johanna Xu, Zhenyuan Xia et Leif Asp de l'université de technologie de Chalmers.
Le concept de batterie développé est basé sur un matériau composite et comporte de la fibre de carbone comme électrodes positive et négative, l'électrode positive étant recouverte de phosphate de fer lithié. Lors de la présentation du précédent concept de batterie, le cœur de l'électrode positive était constitué d'une feuille d'aluminium.
La fibre de carbone utilisée dans le matériau de l'électrode est multifonctionnelle. Dans l'anode, elle sert de renfort, de collecteur électrique et de matériau actif. Dans la cathode, elle sert de renfort, de collecteur de courant et d'échafaudage pour le lithium. Comme la fibre de carbone conduit le courant électronique, il n'est pas nécessaire d'utiliser des collecteurs de courant en cuivre ou en aluminium (par exemple), ce qui réduit encore le poids total. Les électrodes choisies ne nécessitent pas non plus de métaux dits "conflictuels" tels que le cobalt ou le manganèse.
Dans la batterie, les ions lithium sont transportés entre les bornes de la batterie à travers un électrolyte semi-solide, au lieu d'un électrolyte liquide, ce qui représente un défi lorsqu'il s'agit d'obtenir une puissance élevée, et pour cela des recherches supplémentaires sont nécessaires. En même temps, la conception contribue à accroître la sécurité dans la cellule de la batterie, en réduisant le risque d'incendie.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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