Des batteries pour la mobilité de demain

Plus d’autonomie, de dynamisme et de sécurité grâce aux nouvelles batteries

Peu importe son intérêt personnel pour les voitures électriques ou la crédibilité accordée aux études. Une chose est sûre: dans le monde entier, on travaille à l’élaboration de nouvelles batteries plus efficientes.

En matière de véhicules électriques, la priorité consiste à augmenter la dynamique et l’autonomie. Il importe aussi d’éviter la pénurie de matières premières. Les voitures électriques recèlent, selon le modèle, des centaines de cellules séparées. Chacune est logée dans une membrane puis connectée aux autres cellules au moyen de raccords et de branchements jusqu’à former des agglomérats, lesquels sont surveillés par des capteurs et reliés à la voiture. La batterie représente l’élément le plus onéreux d’une voiture électrique. Dans l’E-Smart, elle représente environ un tiers du prix du véhicule. Il faut des modules de batterie pesant 320 à 480 kg pour stocker 40 à 60 kWh, soit la quantité d’énergie nécessaire à propulser les voitures électriques de grande taille.

Optimisation des batteries

Les spécialistes travaillent à l’optimisation de tous les paramètres, y compris une autonomie actuelle de quelque 200 km selon le modèle et un temps de charge de 2 à 4 heures aux bornes de recharge publiques. Dans ce but, une multiplicité de démarches et de processus techniques sont envisagés. Certains développements visent à éliminer l’électrolyte liquide alors que d’autres misent sur des matières premières alternatives. L’alliance de tous ces facteurs concourent à une optimisation de la capacité, de l’autonomie, du poids et de la sécurité.

La batterie dite «bipolaire» constitue une approche innovante. L’institut Fraunhofer IKTS de Dresde et ses partenaires ont ainsi appliqué le principe bipolaire à la batterie au lithium - sous la marque «Embatt». Le principe est dérivé de la pile à combustible.

Structure par couches pour cycles de recharge accélérés

Les cellules des batteries bipolaires ne sont plus séparées les unes des autres mais alignées l’une à côté de l’autre. Les cellules se superposent sur une large surface. Il est ainsi possible de se passer des membranes et des contacts électriques qui seraient autrement nécessaires; de la sorte, on peut intégrer davantage de batteries dans la voiture. En outre, le courant électrique se diffuse directement sur toute la surface de la batterie grâce à la connexion entre elles des cellules agglomérées. Cela réduit notablement la résistance électrique. De plus, les électrodes de la batterie sont construites de manière à libérer l’énergie et à la stocker à nouveau rapidement. Ce nouveau concept de packaging devrait à moyen terme permettre d’accroître l’autonomie des voitures électriques jusqu’à 1000 kilomètres.

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Sécurité accrue grâce aux matériaux solides

L’Empa à Dübendorf et l’institut Fraunhofer de recherche sur le silicate à Würzburg ont entamé en janvier 2019 un projet de recherche commun de trois ans avec pour objectif de jeter les bases de la nouvelle génération de batteries aptes à la production. Ces dernières ne se composeraient que de matières solides, à l’inverse des cellules lithium-ion aujourd’hui en usage. Elles fonctionneraient donc sans électrolyte liquide inflammable, ce qui offrirait une sécurité accrue.  Il en résulte également des avantages en termes de taille et de poids, puisque l’encapsulation de sécurité est plus simple. L’Empa concentre ses efforts sur le développement d’électrolytes solides. L’institut Fraunhofer ISC, de son côté, s’oriente vers le développement de processus et la production de cellules de batteries et finalise les premiers prototypes.

Mobilité électrique et matières premières

La production mondiale des batteries lithium-ion les plus modernes est détenue actuellement en majorité par des entreprises asiatiques. Le cobalt provient essentiellement du Congo et son extraction génère des problèmes environnementaux. Au vu de la quantité globale de gisements de cobalt, l’introduction à grande échelle de la mobilité électrique, sur la base de la technique actuelle, est pratiquement impossible. Le passage du moteur thermique à la mobilité électrique engendre par conséquent un risque de dépendance et de pénurie. La maîtrise de la fabrication de batteries représente donc une des compétences clés pour l’industrie automobile. La problématique des matières premières incite également à entreprendre des recherches vers des techniques de fabrication de batteries plus respectueuses des ressources et de l’environnement. Mais l’attention ne se focalise pas uniquement sur les batteries, resp. sur les voitures électriques, mais aussi sur le processus de fabrication de nouveaux carburants. En outre, on tente d’accroître encore l’efficience de concepts de propulsion connus. Il est ainsi probable de voir à l’avenir se développer parallèlement des variantes complémentaires de technique automobile.

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Matériaux de base moins chers

On voit également émerger les batteries magnésium/soufre, cela pour deux raisons principales: les matières premières pour les électrodes sont disponibles en suffisance et bon marché. D’autre part, cette technique permet théoriquement de stocker le double d’énergie que les batteries lithium-ion.  Dans ce domaine, on se trouve pourtant encore au stade de développement initial. Il manque avant tout les électrolytes adaptés au magnésium.

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