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Le soleil se couche lentement sur l’ère de la Gasmobile, et les contribuables de tous les États-Unis peuvent se faire un câlin de groupe pour cela. Le département américain de l’énergie a injecté des millions de dollars de R&D dans de nouvelles technologies qui permettent aux batteries de VE de se recharger plus rapidement et de durer plus longtemps, tout en améliorant la sécurité. Dans le dernier développement, les scientifiques du département de l’énergie se concentrent sur un composant critique qui pourrait doubler la densité d’énergie des batteries lithium-ion EV d’aujourd’hui.
L’argent de vos impôts au travail : de meilleures batteries pour VÉ
La nouvelle percée relève du consortium Battery500 du ministère de l’Énergie, une initiative tentaculaire de stockage d’énergie public-privé de l’ère Obama dirigée par le Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l’Énergie.
Le consortium a été lancé en 2016 avec une mission de 50 millions de dollars sur cinq ans pour améliorer les performances et réduire le coût des batteries de véhicules électriques, qui a dépassé 500 dollars par kilowattheure en 2012. L’objectif principal est la technologie lithium-métal, dans laquelle le lithium remplace le graphite qui est couramment utilisé pour concevoir des batteries de véhicules électriques. Les batteries au lithium-métal déploient également un électrolyte à l’état solide au lieu de la formule liquide conventionnelle.
« Le Consortium Battery500 vise à tripler l’énergie spécifique (à 500 WH/kg) par rapport à la technologie actuelle des batteries tout en atteignant 1 000 cycles de véhicules électriques. Cela se traduira par une batterie beaucoup plus petite, plus légère, moins chère (moins de 100 $ / kWh) et des véhicules électriques plus abordables », a expliqué la Maison Blanche.
Les anodes au lithium peuvent produire une densité plus élevée, mais le défi est la longévité. En 2021, le consortium avait démontré 600 cycles, une étape importante mais bien en deçà de l’objectif.
Outre PNNL, le consortium initial comprenait les laboratoires nationaux de Brookhaven et de l’Idaho, le SLAC National Accelerator Laboratory et des universités de New York, de Californie et du Texas, ainsi qu’IBM et Tesla (appelé Tesla Motors à l’époque).
La recherche d’une meilleure batterie EV continue
Voilà pour la phase I. En décembre dernier, le consortium Battery500 a été renouvelé pour un autre mandat de cinq ans à 15 millions de dollars par an. Les laboratoires du département de l’énergie et les partenaires académiques de la phase I se poursuivent dans la phase 2, mais IBM et Tesla ont été remplacés par General Motors (plus à ce sujet dans une seconde). D’autres universités du Texas, de Pennsylvanie et du Maryland se joignent également à nous.
« La phase 2 nous permettra de tirer parti du succès des cinq dernières années et d’assurer le leadership nécessaire au développement de la prochaine génération de batteries, qui conduira à une industrie nord-américaine de fabrication de batteries et de véhicules électriques », a déclaré M. Stanley Whittingham, qui est un éminent professeur de chimie à l’Université de Binghamton dans l’État de New York. Le professeur Whittingham a reçu un prix Nobel en 2019 pour ses travaux sur les batteries lithium-ion.
Pour mémoire, le co-récipiendaire de Whittingham était un autre leader dans le domaine du stockage d’énergie, le professeur John Goodenough de l’Université du Texas – Austin, également membre du consortium.
La dernière percée de la batterie EV
Dans la phase II, le consortium Battery500 continue de viser à construire des batteries lithium-métal pour véhicules électriques jusqu’à un objectif énergétique spécifique allant jusqu’à 500 Wh/kg tout en réduisant le coût en dessous de 100 $ par kilowattheure.
Le dernier développement concerne de nouvelles recherches menées par le laboratoire de Brookhaven, où une équipe étudie l’interphase. L’interphase est une couche « spongieuse » qui se développe entre l’anode et l’électrolyte à chaque cycle de charge. Il est considéré comme la « clé de la stabilisation des batteries au lithium métal ».
« L’interphase influence la cyclabilité de toute la batterie. C’est un système très important, mais insaisissable », a déclaré le chimiste de Brookhaven, Enyuan Hu, qui dirigeait l’équipe de recherche. « De nombreuses techniques peuvent endommager ce petit échantillon sensible, qui possède également des phases cristallines et amorphes. »
Des études antérieures ont déployé la cryo-microscopie électronique et d’autres outils sophistiqués pour percer les mystères de l’interphase, mais des lacunes dans les connaissances subsistaient. Pour les remplir, l’équipe de Brookhaven a bombardé l’échantillon avec des rayons X ultra-brillants de la National Synchrotron Light Source II du laboratoire. Bien qu’intenses, les rayons permettent aux chercheurs d’observer de près les deux phases de l’échantillon sans l’endommager.
Trois grandes percées pour de meilleures batteries EV
Le résultat n’était pas une mais trois percées.
La nouvelle recherche a identifié l’hydroxyde de lithium de l’anode comme le contributeur probable à l’hydrure de lithium dans l’interphase. L’équipe prévoit que la découverte conduira à des améliorations de performances dans l’interphase.
L’équipe a également découvert qu’une grande quantité de fluorure de lithium peut se former dans les électrolytes à faible concentration. Cela bouleverse les recherches précédentes indiquant qu’une concentration élevée est nécessaire. Si les nouvelles recherches sont confirmées, la prochaine génération de batteries pourrait réduire la quantité de sels coûteux nécessaires pour atteindre une concentration élevée.
La troisième avancée a porté sur une meilleure compréhension des mécanismes à l’œuvre lors de la consommation d’hydroxyde de lithium lors des cycles de charge-décharge.
L’armée américaine veut de meilleures batteries pour véhicules électriques
Il reste encore un long chemin à parcourir, mais l’armée américaine intervient maintenant pour aider à accélérer les choses. Son implication dans le projet Battery500 Consortium pourrait avoir quelque chose à voir avec l’apparition de GM. En septembre dernier, le Consortium a lancé un appel à projets de « semis » à l’état solide avec le soutien du Ground Vehicle System Center (GVSC) de l’armée américaine.
La sollicitation vise à progresser dans six domaines, y compris l’épaisseur de l’électrolyte à l’état solide (« doit être mince », disent-ils) et l’efficacité à température ambiante. Le blocage de la croissance des dendrites est une autre priorité.
Quant à l’intérêt de l’armée pour les véhicules électriques, il a été plutôt lent ces dernières années, mais l’activité s’est accélérée ces derniers mois. L’entrepreneur militaire Oshkosh fait partie de ceux qui promeuvent le passage à l’entraînement électrique, et plus tôt cette année, la branche GM Defence de GM a annoncé qu’elle fournirait l’un de ses GMC Hummers entièrement électriques à l’armée pour démonstration et analyse.
« GM Defence tirera parti du GMC HUMMER EV, doté de la plate-forme Ultium de GM, pour répondre aux exigences de l’armée américaine en matière de véhicule électrique à batterie léger à lourd afin de réduire la dépendance aux combustibles fossiles à la fois dans les environnements opérationnels et de garnison », a expliqué GM Defence, notant que le véhicule dispose de « 1 000 chevaux, 11 500 lb-pi de couple de roue et est capable d’une charge rapide de 350 kilowatts/800 volts CC, permettant jusqu’à près de 100 miles en 12 minutes. »
L’armée soutient également la recherche sur le stockage d’énergie à l’état solide menant à de meilleures batteries portables pour les soldats, alors restez à l’écoute pour en savoir plus à ce sujet.
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L’équipe de recherche sur le stockage d’énergie de Brookhaven : « Enyuan Hu et Sha Tan sont des chercheurs en chimie qui ont utilisé la ligne de lumière XPD pour leurs travaux sur les batteries. Sanjit Ghose est le scientifique principal de la ligne de lumière et un collaborateur de ce travail », avec l’aimable autorisation du Brookhaven National Laboratory.
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