Des batteries de charge plus petites et plus rapides de Penn State vont turbocharger la révolution des véhicules électriques

Des chercheurs de Penn State affirment avoir trouvé un moyen de fabriquer des batteries pour voitures électriques qui peuvent être plus petites – ce qui préserve les précieuses ressources qui connaissent actuellement des augmentations de prix massives – et une charge plus rapide – ce qui répond à la préoccupation de nombreuses personnes selon lesquelles charger une voiture électrique prend trop de temps. long. La recherche a été publiée le 12 octobre dans la revue La nature.

Les articles de recherche scientifique se prêtent rarement à une lecture légère, mais le résumé de l’étude contient suffisamment de détails significatifs pour qu’il soit intéressant de le partager avec vous.

Les batteries lithium-ion avec des cathodes d’oxyde en couches riches en nickel et des anodes en graphite ont atteint des énergies spécifiques de 250 à 300 Wh kg et il est désormais possible de construire un pack de véhicule électrique de 90 kWh avec une autonomie de croisière de 300 miles. Malheureusement, l’utilisation de batteries aussi massives pour atténuer l’anxiété liée à l’autonomie est inefficace pour l’adoption des véhicules électriques grand public en raison de l’approvisionnement limité en ressources brutes et du coût prohibitif.

Une charge rapide de dix minutes permet de réduire la taille des batteries de VE à la fois pour un prix abordable et pour la durabilité, sans causer d’anxiété d’autonomie. Cependant, la charge rapide des batteries à haute densité énergétique (plus de 250 Wh kg ou plus de 4 mAh cm) reste un grand défi. Ici, nous combinons une approche agnostique matérielle basée sur la modulation de température asymétrique avec un électrolyte à double sel thermiquement stable pour atteindre la charge d’une batterie de 265 Wh kg à 75% (ou 70%) d’état de charge en 12 (ou 11) minutes pendant plus de 900 (ou 2 000) cycles.

Cela équivaut à une portée d’un demi-million de kilomètres dans laquelle chaque charge est une charge rapide. De plus, nous avons construit un jumeau numérique d’une telle batterie pour évaluer son refroidissement et sa sécurité et démontrer que la charge 4C à modulation thermique ne nécessite que la convection d’air. Cela offre une voie compacte et intrinsèquement sûre pour le développement cellule-à-pack. La méthode de modulation thermique rapide pour produire des interfaces électrochimiques hautement actives uniquement pendant la charge rapide a un potentiel important pour réaliser à la fois la stabilité et la charge rapide des matériaux de nouvelle génération, y compris les anodes comme le silicium et le lithium métal.

Eh bien, c’est certainement une exposition remplie de jargon. Voyons si nous pouvons déballer certaines des implications de cette recherche sur la base d’un communiqué de presse de Penn State et d’un rapport de Temps. D’abord l’explication de l’université.

« Le besoin de batteries plus petites et à chargement plus rapide est plus important que jamais », a déclaré Chao-Yang Wang, l’auteur principal de l’étude. « Il n’y a tout simplement pas assez de batteries et de matières premières essentielles, en particulier celles produites localement, pour répondre à la demande anticipée. » [The reference to domestic production is especially relevant now that the Inflation Reduction Act has tied EV incentives to cars manufactured in America using materials sourced from North America or certain trading partners.]

D’ici 2035, le plus grand marché automobile des États-Unis [California] retirera effectivement le moteur à combustion interne, indique le communiqué de presse. Si les ventes de voitures neuves doivent passer aux véhicules électriques à batterie, elles devront surmonter deux inconvénients majeurs. Premièrement, ils sont trop lents à se recharger. Deuxièmement, ils sont trop grands pour être efficaces et abordables.

« Notre technologie de charge rapide fonctionne pour la plupart des batteries à haute densité énergétique et ouvrira une nouvelle possibilité de réduire la taille des batteries de véhicules électriques de 150 à 50 kWh sans que les conducteurs ne ressentent d’anxiété d’autonomie », a déclaré Wang. « Les batteries plus petites et plus rapides à charger réduiront considérablement le coût des batteries et l’utilisation de matières premières critiques telles que le cobalt, le graphite et le lithium, permettant l’adoption massive de voitures électriques abordables. »

La technologie repose sur la modulation thermique interne, une méthode active de contrôle de la température pour exiger les meilleures performances possibles de la batterie. Les batteries fonctionnent plus efficacement lorsqu’elles sont chaudes, mais pas trop chaudes. Maintenir les batteries constamment à la bonne température a été un défi majeur pour les ingénieurs de batteries. Historiquement, ils se sont appuyés sur des systèmes de chauffage et de refroidissement externes et encombrants pour réguler la température de la batterie, qui réagissent lentement et gaspillent beaucoup d’énergie, a déclaré Wang.

Au lieu de cela, l’équipe a décidé de réguler la température de l’intérieur de la batterie. Les chercheurs ont développé une nouvelle structure de batterie qui ajoute une feuille de nickel ultra-mince comme quatrième composant en plus de l’anode, de l’électrolyte et de la cathode. Agissant comme un stimulus, la feuille de nickel autorégule la température et la réactivité de la batterie, ce qui permet une charge rapide de 10 minutes sur à peu près n’importe quelle batterie EV, a expliqué Wang.

« De véritables batteries à charge rapide auraient un impact immédiat », écrivent les chercheurs. « Puisqu’il n’y a pas assez de minéraux bruts pour que chaque voiture à moteur à combustion interne soit remplacée par un VE équipé de 150 kWh, une charge rapide est impérative pour que les VE se généralisent. »

Piles, Piles, Piles

Les lecteurs avertis remarqueront instantanément que les batteries de 150 kWh ne sont pas vraiment la norme pour les voitures électriques, à moins qu’il ne s’agisse de mastodontes comme le Ford F-150 Lightning ou le Hummer EV de GM. La taille typique de la batterie d’un véhicule électrique normal semble aujourd’hui se situer entre 60 kWh et 80 kWh, soit la moitié de la taille dont parle le professeur Wang. Néanmoins, les batteries qui font plus avec moins seraient une bonne nouvelle, en particulier lorsqu’il s’agit de fabriquer des véhicules électriques plus abordables.

Temps l’explique ainsi. « La technologie peut fonctionner pour n’importe quelle taille de batterie, mais le plus grand avantage est peut-être qu’elle permettra aux constructeurs automobiles de vendre des véhicules électriques avec des batteries plus petites sans déclencher l’anxiété des consommateurs. Plus une batterie peut se charger rapidement, moins il y a besoin de grosses batteries à longue autonomie, car s’arrêter pour charger ne sera pas moins gênant que d’aller à une station-service. Et des batteries plus petites signifient également des véhicules électriques moins chers.

Il souligne que le professeur Wang est impliqué dans la recherche sur les batteries depuis plusieurs décennies et a contribué au développement de l’EV1, la voiture électrique révolutionnaire de GM. Nous avons rendu compte de ses recherches en 2019, ce qui montre combien de temps il faut pour que de nouvelles idées sortent du laboratoire et entrent en production. Wang est le CTO d’EC Power, qui cherche à commercialiser la nouvelle technologie pour les batteries. Il construit une usine pour produire les nouvelles batteries afin qu’elles puissent être distribuées aux fabricants de véhicules électriques pour valider leur adéquation aux véhicules de production. Il convient de noter que StoreDot, une startup israélienne, affirme également fonctionner sur des batteries rechargeables en 10 minutes ou moins.

Les plats à emporter

Peut-être que les nouvelles batteries d’EC Power fonctionneront comme promis et qu’un changement de paradigme se produira dans le monde des voitures électriques. Bien qu’une charge rapide soit certainement souhaitable, l’élimination des systèmes de refroidissement liquide encombrants et coûteux pour les batteries pourrait être tout aussi importante car cela contribuerait à réduire le coût des voitures électriques.

Qui sait? Cela pourrait également donner un coup de pouce à l’échange de batterie, qui est promu par NIO, CATL et BYD, car il n’y aura pas de conduites de liquide de refroidissement à connecter et à déconnecter. L’installation d’une batterie complètement chargée à la place d’une batterie épuisée est non seulement rapide, mais élimine également toute préoccupation du propriétaire concernant la dégradation de la batterie – un sujet qui préoccupe beaucoup les personnes qui envisagent l’achat d’une voiture électrique.

Le résultat est que la révolution des véhicules électriques progresse et qu’il y aura de nombreuses innovations en cours de route, tout comme il y a eu de nombreuses innovations en cours de route à mesure que les voitures à essence gagnaient en popularité. Pensez à quel point l’auto-démarreur a changé l’expérience automobile ! Ce sont des moments passionnants et il se passe beaucoup de choses dans les coulisses.

Selon la légende, le 31 décembre 1899, le chef de l’Office américain des brevets a dit aux gens : « Tout ce qui peut être inventé a maintenant été inventé. Pour ceux qui aimeraient voir la révolution des véhicules électriques avancer plus rapidement, nous ne pouvons que donner ce conseil : « Patience, sauterelle ».

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