Le mercredi 24 novembre prochain, la dernière table ronde de Driving into the Future discutera de ce à quoi pourrait ressembler l'avenir de la production canadienne de batteries. Que vous soyez optimiste – vous croyez réellement que toutes les voitures seront électriques d’ici 2035 – ou que vous pensiez que nous n’atteindrons pas cet objectif ambitieux, les voitures alimentées par batterie constituent une part importante de notre avenir. Si le Canada veut faire partie de cette révolution électrique, nous devons trouver un moyen de devenir le principal fabricant de systèmes d'alimentation automobile à l'avenir. Pour voir à quoi ressemblera l’avenir, regardez la dernière table ronde sur la fabrication de batteries au Canada ce mercredi à 11 h, heure de l’Est.
Oubliez les batteries à semi-conducteurs. Il en va de même pour tout le battage médiatique autour des anodes en silicium. Même la batterie aluminium-air tant vantée qui ne peut pas être rechargée à la maison ne peut pas ébranler le monde des véhicules électriques.
Qu'est-ce qu'une batterie structurelle ? Eh bien, c'est une bonne question. Heureusement pour moi, qui ne veux pas prétendre que je n'ai peut-être pas d'expertise en ingénierie, la réponse est simple. Les voitures électriques actuelles sont alimentées par des batteries installées dans la voiture. Oh, nous avons trouvé une nouvelle façon de cacher leur qualité, qui consiste à intégrer toutes ces batteries lithium-ion dans le plancher du châssis, créant ainsi une plate-forme « skateboard » qui est désormais synonyme de conception EV. Mais ils restent séparés de la voiture. Un module complémentaire, si vous voulez.
Les batteries structurelles renversent ce paradigme en transformant l’ensemble du châssis en cellules de batterie. Dans un avenir apparemment onirique, non seulement le plancher porteur sera constitué de batteries, mais certaines parties de la carrosserie, les montants A, les toits et même, comme l'a montré un institut de recherche, il est possible. filtre à air salle pressurisée-non seulement équipée de batteries, mais en fait constituée de batteries. Selon les mots du grand Marshall McLuhan, une voiture est une batterie.
Eh bien, même si les batteries lithium-ion modernes semblent de haute technologie, elles sont lourdes. La densité énergétique du lithium-ion est bien inférieure à celle de l’essence, donc pour atteindre la même autonomie que les véhicules à combustible fossile, les batteries des véhicules électriques modernes sont très grandes. Très grand.
Plus important encore, ils sont lourds. Comme lourd en « charge large ». La formule de base actuellement utilisée pour calculer la densité énergétique d’une batterie est que chaque kilogramme de lithium-ion peut générer environ 250 wattheures d’électricité. Ou dans le monde des abréviations, les ingénieurs préfèrent 250 Wh/kg.
Faites un peu de calcul, une batterie de 100 kWh, c'est comme une Tesla branchée sur une batterie Model S, ce qui veut dire que partout où vous irez, vous traînerez environ 400 kg de batterie. C'est l'application la meilleure et la plus efficace. Pour nous, profanes, il serait peut-être plus précis d’estimer qu’une batterie de 100 kWh pèse environ 1 000 livres. Comme une demi-tonne.
Imaginez maintenant quelque chose comme le nouveau Hummer SUT, qui prétend avoir une puissance embarquée allant jusqu'à 213 kWh. Même si le général constate quelques avancées en termes d'efficacité, le meilleur Hummer traînera toujours environ une tonne de batteries. Oui, il roulera plus loin, mais en raison de tous ces avantages supplémentaires, l’augmentation de l’autonomie n’est pas à la mesure du doublement de la batterie. Bien entendu, son camion doit être équipé d’un moteur plus puissant, c’est-à-dire moins efficace. Les performances d’alternatives plus légères et à plus courte portée. Comme vous le dira tout ingénieur automobile (que ce soit pour la vitesse ou l’économie de carburant), le poids est l’ennemi.
C’est là que la batterie structurelle entre en jeu. En construisant des voitures à partir de batteries au lieu de les ajouter aux structures existantes, la majeure partie du poids supplémentaire disparaît. Dans une certaine mesure, c'est-à-dire lorsque tous les éléments structurels sont convertis en batteries, l'augmentation de l'autonomie de la voiture n'entraîne pratiquement aucune perte de poids.
Comme on peut s’y attendre – parce que je sais que vous êtes assis là à penser « Quelle excellente idée ! » – il y a des obstacles à cette solution intelligente. La première est de maîtriser la capacité de fabriquer des batteries à partir de matériaux qui peuvent être utilisés non seulement comme anodes et cathodes pour n'importe quelle batterie de base, mais aussi comme suffisamment solides et très légers ! -Une structure capable de supporter une voiture de deux tonnes et ses passagers, et on espère qu'elle sera sûre.
Sans surprise, les deux principaux composants de la batterie structurelle la plus puissante à ce jour, fabriquée par l'Université de technologie Chalmers et investie par l'Institut royal de technologie KTH, les deux universités d'ingénierie les plus célèbres de Suède, sont la fibre de carbone et l'aluminium. Essentiellement, la fibre de carbone est utilisée comme électrode négative ; l'électrode positive utilise une feuille d'aluminium recouverte de phosphate de fer et de lithium. Puisque la fibre de carbone conduit également les électrons, il n’est pas nécessaire d’utiliser de l’argent et du cuivre lourds. La cathode et l'anode sont séparées par une matrice en fibre de verre qui contient également un électrolyte, de sorte qu'elle transporte non seulement les ions lithium entre les électrodes, mais répartit également la charge structurelle entre les deux. La tension nominale de chacune de ces cellules de batterie est de 2,8 volts et, comme toutes les batteries de véhicules électriques actuelles, elle peut être combinée pour produire le 400 V ou même le 800 V commun aux véhicules électriques de tous les jours.
Bien qu’il s’agisse d’un progrès évident, même ces cellules de haute technologie ne sont pas du tout prêtes à être diffusées aux heures de grande écoute. Leur densité énergétique n'est que de 25 wattheures négligeables par kilogramme et leur rigidité structurelle est de 25 gigapascals (GPa), ce qui est à peine un peu plus résistant que la fibre de verre du cadre. Cependant, grâce au financement de l'Agence spatiale nationale suédoise, la dernière version utilise désormais davantage de fibre de carbone au lieu d'électrodes en feuille d'aluminium, qui, selon les chercheurs, ont une rigidité et une densité énergétique. En fait, ces dernières batteries carbone/carbone devraient produire jusqu'à 75 wattheures d'électricité par kilogramme et un module d'Young de 75 GPa. Cette densité énergétique est peut-être encore en retard par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles, mais sa rigidité structurelle est désormais meilleure que celle de l'aluminium. En d’autres termes, la batterie diagonale du châssis du véhicule électrique constituée de ces batteries peut être structurellement aussi solide que la batterie en aluminium, mais son poids sera considérablement réduit.
La première utilisation de ces batteries de haute technologie concerne presque certainement l’électronique grand public. Le professeur Leif Asp de Chalmers a déclaré : « Dans quelques années, il sera tout à fait possible de fabriquer un smartphone, un ordinateur portable ou un vélo électrique qui pèserait seulement la moitié du poids d'aujourd'hui et serait plus compact. » Cependant, comme l'a souligné le responsable du projet, « ici, nous ne sommes vraiment limités que par notre imagination ».
La batterie n’est pas seulement la base des véhicules électriques modernes, mais aussi son maillon le plus faible. Même les prévisions les plus optimistes ne peuvent prévoir que deux fois la densité énergétique actuelle. Et si nous voulions obtenir l’incroyable autonomie que nous avons tous promise – et il semble que quelqu’un promette chaque semaine 1 000 kilomètres par charge ? — Il faudra faire mieux que d'ajouter des batteries aux voitures : il faudra fabriquer des voitures avec des batteries.
Les experts affirment que la réparation temporaire de certaines routes endommagées, notamment l'autoroute Coquihalla, prendra plusieurs mois.
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