Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers en Suède ont produit une batterie structurelle qui fonctionne dix fois mieux que toutes les versions précédentes. Il contient de la fibre de carbone qui sert à la fois d’électrode, de conducteur et de matériau porteur. Leur dernière percée en matière de recherche ouvre la voie à un stockage d’énergie essentiellement «sans masse» dans les véhicules et d’autres technologies.
Les batteries des voitures électriques d’aujourd’hui constituent une grande partie du poids des véhicules, sans remplir aucune fonction porteuse. Une batterie structurelle, en revanche, est une batterie qui fonctionne à la fois comme source d’énergie et comme partie de la structure – par exemple, dans une carrosserie de voiture. C’est ce qu’on appelle le stockage d’énergie « sans masse », car, par essence, le poids de la batterie disparaît lorsqu’elle fait partie de la structure porteuse. Les calculs montrent que ce type de batterie multifonction pourrait réduire considérablement le poids d’un véhicule électrique.
Le développement de batteries structurelles à l’Université de technologie de Chalmers a fait l’objet de nombreuses années de recherche, y compris des découvertes antérieures impliquant certains types de fibre de carbone. En plus d’être rigides et solides, ils ont également une bonne capacité à stocker de l’énergie électrique par voie chimique. Ce travail a été désigné par Physics World comme l’une des dix plus grandes percées scientifiques de 2018.
La première tentative de fabrication d’une batterie structurelle a été faite dès 2007, mais il s’est avéré jusqu’à présent difficile de fabriquer des batteries avec de bonnes propriétés électriques et mécaniques.
Mais maintenant, le développement a fait un réel pas en avant, avec des chercheurs de Chalmers, en collaboration avec le KTH Royal Institute of Technology de Stockholm, présentant une batterie structurelle avec des propriétés qui dépassent de loin tout ce qui a encore été vu, en termes de stockage d’énergie électrique, de rigidité et de résistance. Ses performances multifonctionnelles sont dix fois plus élevées que les prototypes de batterie structurelle précédents.
Le docteur Johanna Xu avec une cellule de batterie structurelle nouvellement fabriquée dans le laboratoire composite de Chalmers, qu’elle montre à Leif Asp. La cellule se compose d’une électrode en fibre de carbone et d’une électrode au lithium fer phosphate séparées par un tissu en fibre de verre, le tout imprégné d’un électrolyte de batterie structurel pour une fonction mécanique et électrique combinée.
La batterie a une densité d’énergie de 24 Wh / kg, soit une capacité d’environ 20% par rapport aux batteries lithium-ion comparables actuellement disponibles. Mais comme le poids des véhicules peut être considérablement réduit, moins d’énergie sera nécessaire pour conduire une voiture électrique, par exemple, et une densité d’énergie plus faible se traduit également par une sécurité accrue. Et avec une rigidité de 25 GPa, la batterie structurelle peut vraiment rivaliser avec de nombreux autres matériaux de construction couramment utilisés.
«Les précédentes tentatives de fabrication de batteries structurelles ont abouti à des cellules ayant soit de bonnes propriétés mécaniques, soit de bonnes propriétés électriques. Mais ici, en utilisant de la fibre de carbone, nous avons réussi à concevoir une batterie structurelle avec à la fois une capacité de stockage d’énergie et une rigidité compétitives », explique Leif Asp, professeur à Chalmers et responsable du projet.
Les vélos électriques super légers et l’électronique grand public pourraient bientôt devenir une réalité
La nouvelle batterie a une électrode négative en fibre de carbone et une électrode positive en feuille d’aluminium recouverte de phosphate de lithium et de fer. Ils sont séparés par un tissu en fibre de verre, dans une matrice électrolytique. Malgré leur succès dans la création d’une batterie structurelle dix fois meilleure que toutes les précédentes, les chercheurs n’ont pas choisi les matériaux pour essayer de battre des records – ils voulaient plutôt étudier et comprendre les effets de l’architecture des matériaux et de l’épaisseur du séparateur.
Batterie sans masse
À présent, un nouveau projet, financé par l’Agence spatiale nationale suédoise, est en cours, dans le cadre duquel les performances de la batterie structurelle seront encore accrues. La feuille d’aluminium sera remplacée par de la fibre de carbone comme matériau porteur dans l’électrode positive, offrant à la fois une rigidité et une densité d’énergie accrues. Le séparateur en fibre de verre sera remplacé par une variante ultra-mince, qui donnera un effet beaucoup plus grand – ainsi que des cycles de charge plus rapides. Le nouveau projet devrait être achevé d’ici deux ans.
Leif Asp, qui dirige également ce projet, estime qu’une telle batterie pourrait atteindre une densité d’énergie de 75 Wh / kg et une rigidité de 75 GPa. Cela rendrait la batterie à peu près aussi solide que l’aluminium, mais avec un poids comparativement beaucoup plus faible.
«La batterie structurelle de nouvelle génération a un potentiel fantastique. Si vous regardez la technologie grand public, il pourrait être tout à fait possible d’ici quelques années de fabriquer des smartphones, des ordinateurs portables ou des vélos électriques qui pèsent deux fois moins qu’aujourd’hui et sont beaucoup plus compacts », explique Leif Asp.
Et à plus long terme, il est tout à fait concevable que les voitures électriques, les avions électriques et les satellites soient conçus et alimentés par des batteries structurelles.
«Nous ne sommes vraiment limités que par notre imagination ici. Nous avons reçu beaucoup d’attention de la part de nombreux types d’entreprises dans le cadre de la publication de nos articles scientifiques dans le domaine. Ces matériaux légers et multifonctionnels suscitent naturellement un grand intérêt », déclare Leif Asp.
En savoir plus: La recherche sur les batteries structurelles
La batterie structurelle utilise de la fibre de carbone comme électrode négative et une feuille d’aluminium recouverte de phosphate de fer lithium comme électrode positive. La fibre de carbone agit comme un hôte pour le lithium et stocke ainsi l’énergie. Étant donné que la fibre de carbone conduit également des électrons, le besoin de conducteurs en cuivre et en argent est également évité, ce qui réduit encore le poids. La fibre de carbone et la feuille d’aluminium contribuent aux propriétés mécaniques de la batterie structurelle. Les deux matériaux d’électrode sont maintenus séparés par un tissu en fibre de verre dans une matrice électrolytique structurelle. La tâche de l’électrolyte est de transporter les ions lithium entre les deux électrodes de la batterie, mais aussi de transférer les charges mécaniques entre les fibres de carbone et d’autres pièces.
Le projet est géré en collaboration entre l’Université de technologie de Chalmers et le KTH Royal Institute of Technology, les deux plus grandes universités techniques de Suède. L’électrolyte de batterie a été développé chez KTH. Le projet implique des chercheurs de cinq disciplines différentes: la mécanique des matériaux, l’ingénierie des matériaux, les structures légères, l’électrochimie appliquée et la technologie des fibres et des polymères.
Le financement provient du programme de recherche de la Commission européenne Clean Sky II, ainsi que de l’armée de l’air américaine.
https://www.whichev.net/2021/04/05/university-researchers-produce-revolutionary-massless-battery/
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aesr.202000093
