Des chercheurs de la NASA poursuivent un rêve : des batteries à semi-conducteurs avancées pouvant alimenter des avions électriques. Son programme SABERS (Solid State Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety) est centré sur le centre de recherche Glenn de l’agence à Cleveland, mais collabore avec des chercheurs de Georgia Tech, du laboratoire national d’Argonne et du laboratoire national du nord-ouest du Pacifique.
Dans un communiqué de presse, la NASA indique que contrairement aux batteries lithium-ion conventionnelles, les batteries à semi-conducteurs ne contiennent pas les liquides qui peuvent entraîner une surchauffe, un incendie et une perte de charge au fil du temps – des problèmes qui peuvent sembler familiers à quiconque utilise de gros appareils électroniques. . De plus, les batteries à semi-conducteurs peuvent contenir plus d’énergie et mieux fonctionner dans des environnements stressants que les batteries lithium-ion conventionnelles.
« SABERS continue de dépasser ses objectifs », déclare Rocco Viggiano, chercheur principal de SABERS. « Nous commençons à approcher cette nouvelle frontière de la recherche sur les batteries qui pourrait faire bien plus que les batteries lithium-ion. Les possibilités sont assez incroyables.
La performance des batteries est un aspect clé dans le développement d’avions électriques plus durables, dont les batteries doivent être capables de stocker les énormes quantités d’énergie nécessaires à la propulsion d’un avion tout en étant aussi légères que possible. Cependant, la quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker n’est qu’un côté de l’équation. De plus, une batterie adaptée à des fins aéronautiques doit pouvoir décharger son énergie stockée à un rythme suffisant pour alimenter un avion électrique ou un véhicule aérien sans pilote.
La NASA dit qu’une batterie est comme un seau. Sa capacité est la quantité que le seau peut contenir tandis que sa puissance est la vitesse à laquelle le seau peut être vidé. Pour propulser un avion électrique, la batterie doit décharger son énergie, ou vider son bac, à une vitesse extraordinairement rapide.
SABERS a expérimenté de nouveaux matériaux innovants qui n’étaient pas utilisés auparavant dans les batteries, tels que le soufre et le sélénium, qui ont produit des progrès significatifs dans la décharge de puissance. Au cours de la dernière année, l’équipe a réussi à augmenter le taux de décharge de sa batterie d’un facteur 10, puis d’un autre facteur 5 à nouveau.
Ces nouveaux matériaux ont entraîné des modifications de conception supplémentaires. L’équipe SABERS a réalisé que l’architecture à semi-conducteurs leur a permis de modifier la construction et l’emballage de leur batterie pour gagner du poids et augmenter l’énergie qu’elle peut stocker. Un seau plus grand, en d’autres termes.
Au lieu de loger chaque cellule de batterie individuelle dans son propre boîtier en acier comme le font les batteries lithium-ion conventionnelles, toutes les cellules de la batterie de SABERS peuvent être empilées verticalement à l’intérieur d’un boîtier. Grâce en partie à cette nouvelle conception, SABERS a démontré que ses batteries à semi-conducteurs peuvent alimenter une densité d’énergie de 500 wattheures par kilogramme, soit le double de celle d’une batterie de voiture électrique traditionnelle. [It should be noted that Samsung say it also has a solid-state battery with a high energy density.]
« Non seulement cette conception élimine 30 à 40 % du poids de la batterie, mais elle nous permet également de doubler, voire de tripler l’énergie qu’elle peut stocker, dépassant de loin les capacités des batteries lithium-ion considérées comme à la pointe de la technologie. « , a déclaré Vigiano.
La sécurité est une autre exigence clé pour l’utilisation des batteries dans les avions électriques. Contrairement aux batteries liquides, les batteries à semi-conducteurs ne s’enflamment pas lorsqu’elles fonctionnent mal et peuvent toujours fonctionner lorsqu’elles sont endommagées, ce qui les rend attrayantes pour une utilisation dans l’aviation.
Les chercheurs de SABERS ont testé leur batterie sous différentes pressions et températures, et ont découvert qu’elle peut fonctionner à des températures presque deux fois plus chaudes que les batteries lithium-ion sans autant de technologie de refroidissement. L’équipe continue de le tester dans des conditions encore plus chaudes. Sans surprise, cette recherche a suscité un intérêt substantiel de la part du gouvernement, de l’industrie et du milieu universitaire.
Cette année, l’objectif principal de SABERS était de montrer que les propriétés de sa batterie à semi-conducteurs répondent à ses objectifs d’énergie et de sécurité tout en démontrant qu’elle peut fonctionner en toute sécurité dans des conditions réalistes et à la puissance maximale. Ses partenaires de recherche à Georgia Tech aident à mettre au point différentes méthodologies qui peuvent améliorer les batteries à semi-conducteurs et les rendre plus pratiques pour une utilisation dans les applications aéronautiques.
« Georgia Tech accorde une grande importance à la micromécanique de la façon dont la cellule change pendant le fonctionnement. Cela nous a aidés à examiner les pressions à l’intérieur de la batterie, ce qui nous a ensuite aidés à améliorer encore plus la batterie », a déclaré Viggiano. « Cela nous a également amenés à comprendre d’un point de vue pratique comment fabriquer une cellule comme celle-ci, et cela nous a conduit à d’autres configurations de conception améliorées. »
SABERS a également fait appel à l’expertise de plusieurs centres et projets de la NASA pour atteindre ses objectifs. De plus, ses travaux ont suscité l’intérêt du programme Subsonic Single Aft Engine, qui travaille au développement d’un concept d’avion hybride-électrique avancé.
« Nous avons eu de nombreuses discussions productives sur la manière dont d’autres personnes à la NASA pourraient tirer parti de notre travail et potentiellement utiliser notre batterie », a déclaré Viggiano. « Cela a été extrêmement gratifiant de penser à ce qui pourrait en découler. Nous avons vu SABERS passer d’une idée que nous avons déjeunée un jour à, potentiellement, une solution énergétique pour l’aéronautique.
SABERS fait partie du projet Convergent Aeronautics Solutions, qui est conçu pour donner aux chercheurs de la NASA les ressources dont ils ont besoin pour déterminer si leurs idées pour résoudre certains des plus grands défis techniques de l’aviation sont réalisables, et peut-être dignes d’être poursuivies au sein de la NASA ou par l’industrie.
Les plats à emporter
À entendre les réactionnaires le dire, rien de ce que fait le gouvernement n’est bon. L’industrie privée est toujours meilleure, plus intelligente, plus rapide, moins chère et plus efficace. Et pourtant, des recherches telles que celles menées dans le cadre du programme SABERS débouchent souvent sur des percées qui sont ensuite partagées avec l’industrie privée et font partie de produits commerciaux.
Il est commode de négliger le rôle que jouent les opérations de recherche pure comme SABERS dans la réalisation de découvertes trop coûteuses ou trop massives pour l’industrie privée, qui se concentre sur les résultats et le prochain rapport trimestriel, à accomplir par elle-même.
Alors que les travaux de la NASA se concentrent sur les avions, les leçons apprises auront d’énormes implications pour la société dans son ensemble. Imaginez une batterie pour une voiture électrique qui a le double de la densité d’énergie des batteries d’aujourd’hui et pèse 40 % de moins. Comment cela pourrait-il changer l’équation lorsqu’il s’agit de faire avancer la révolution des véhicules électriques ?
Considérez ensuite que la batterie de la NASA n’utilise pas de cobalt, de nickel ou de manganèse – tous les composants de la plupart des batteries lithium-ion conventionnelles qui sont rares et dont le coût augmente régulièrement. L’Amérique a besoin de plus de recherche scientifique fondamentale. Le programme SABERS en montre la raison.
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