Dans les batteries des voitures électriques, 50 % de l’espace est occupé par la connectique et les compartiments qui protègent chaque cellule. © Patrick P. Palej, Fotolia

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Voitures électriques : un projet de batteries vise 1.000 km d’autonomie

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Des chercheurs du Fraunhofer Institute planchent sur un nouveau design pour les batteries lithium qui permettrait aux voitures électriques de disposer d'une autonomie de 1.000 km sur une seule charge. Les premiers tests en conditions réelles avec des véhicules auront lieu en 2020.

  • Le design de ces batteries est inspiré de celui des piles à combustible.
  • Les cellules des batteries composées de plaques bipolaires sont empilées les unes sur les autres.

Avec le temps de charge, l'autonomie des voitures électriques reste encore, pour le moment, leur principal point faible. L'objectif des constructeurs est de pouvoir offrir une capacité d'utilisation qui soit au moins équivalente à celle d'une voiture à essence avec son plein, et si possible plus. Un cap qui permettra de faire tomber la barrière anxiogène qui retient encore de nombreux conducteurs redoutant de tomber en panne de batterie ou ne souhaitant pas effectuer plusieurs arrêts prolongés durant un long périple.

En Allemagne, un triumvirat composé du Fraunhofer Institute for Ceramic Technologies and Systems IKTS, de ThyssenKrupp System Engineering et d'IAV Automotive Engineering travaille sur un nouveau format de batterie lithium qui permet d'envisager un gain d'autonomie et de puissance très significatif. En effet, en se basant sur des essais en laboratoire jugés très concluants, cette équipe annonce qu'elle vise une autonomie de 1.000 kilomètres.

Pour parvenir à cette conclusion, les ingénieurs ont repensé le design et l'interconnexion des batteries. Pour mieux comprendre leur innovation, commençons par évoquer la situation actuelle. Dans les voitures électriques, il n'y a pas une mais des dizaines de batteries lithium composées de centaines de cellules qui sont chacune protégées dans un compartiment, connectées entre elles par des câbles et surveillées par des capteurs. Cette connectique et cette électronique monopolisent environ 50 % de l'espace occupé par les batteries. Sans compter que les points de connexion entre les cellules sont autant de sources de résistances électriques qui font perdre en puissance.

L'équipe emmenée par le Fraunhofer Institute a donc travaillé à simplifier ce design au maximum, en s'inspirant de celui employé pour les piles à combustible qui utilisent des plaques bipolaires placées sur chaque face et qui font office de cathode et d'anode. De là est né le concept de batterie lithium nommé EMBATT qui remplace les compartiments et les connecteurs par des plaques bipolaires.

Le concept EMBATT repose sur une plaque bipolaire faite d’une feuille de métal recouverte sur ses deux faces d’un mélange de céramique, de polymère et de matériaux conducteurs. Les cellules de batteries peuvent ainsi être empilées à la manière d’un millefeuille. © EMBATT

Un design emprunté aux piles à combustible

Cette électrode bipolaire se présente sous la forme d'un ruban métallique dont chaque face est recouverte d'un mélange composé de céramique en poudre, de polymère et de matériaux conducteurs. La formulation de ce mélange varie selon la face qui va jouer le rôle de l'anode et celle qui va jouer celui de la cathode. Résultat : les cellules peuvent être empilées les unes sur les autres, un revêtement conducteur intercalé entre les plaques bipolaires qui fait circuler le courant sur toute la surface de la batterie.

Le design EMBATT offre un gain d'espace très significatif qui permet non seulement de faire tenir une batterie plus puissante dans la même surface mais aussi de réduire les résistances électriques et donc d'améliorer les performances. Le Fraunhofer Institute se charge de la conception des plaques bipolaires, ThyssenKrupp System gère la fabrication des batteries et IAV Automotive Engineering les intègrera dans les voitures électriques.

La prochaine étape du projet est de fiabiliser le processus de fabrication en vue de son passage à une échelle industrielle. Les chercheurs vont désormais s'atteler à concevoir une batterie dimensionnée pour une voiture électrique. Ils espèrent pouvoir mener les premiers essais en conditions réelles vers 2020.