Pourquoi nous n’avons pas de percées dans la batterie – Mobilité Urbaine

Les voitures électriques sont rapides et silencieuses, avec une autonomie plus que suffisante pour la plupart des trajets quotidiens. Si vous voulez une voiture avec une accélération extrêmement rapide, la Tesla Model S est difficile à battre. Et, bien sûr, les véhicules électriques évitent la pollution associée aux voitures classiques, notamment les émissions de dioxyde de carbone provenant de la combustion d'essence. Pourtant, elles ne représentent qu'une infime fraction des ventes automobiles, principalement parce que les batteries qui les propulsent sont chères et doivent être rechargées fréquemment.

Cette histoire fait partie de notre Mars / avril 2015 problème

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La centrale électrique, un nouveau livre du journaliste Steve LeVine, qui raconte l’histoire de l’une des annonces les plus dramatiques sur les batteries des dernières années et explique comment rien n’a été fait (voir «L’histoire triste de la découverte d’une batterie qui s’est révélée trop belle pour être vraie»). L'annonce a été faite en février 2012, lors d'une conférence à Washington, où une foule de chercheurs, d'entrepreneurs et d'investisseurs avaient entendu Bill Gates et Bill Clinton expliquer l'importance de la nouvelle technologie énergétique – et également puiser dans l'une des sources de financement les plus récentes à Washington, l'Agence de projets de recherche avancée pour l'énergie (ARPA-E). Fondé en 2009, ARPA-E avait pour mission d'identifier la recherche potentiellement transformationnelle. Le responsable de cette agence, Arun Majumdar, était prêt à dévoiler l'un de ses premiers succès majeurs: une cellule de batterie, développée par la startup Envia, capable de stocker deux fois plus d'énergie qu'un système classique. Le coût d'une batterie pouvant transporter une voiture de Washington à New York sans avoir à se recharger, a déclaré Majumdar, passerait de 30 000 dollars à 15 000 dollars. Les voitures électriques deviendraient beaucoup plus abordables et pratiques (voir «Un grand saut dans la capacité de la batterie»).

Quelques mois plus tard, GM céda la technologie sous licence et signa un accord pour soutenir son développement, lui permettant d’utiliser les batteries obtenues. Le contrat pourrait rapporter des centaines de millions de dollars à Envia, écrit LeVine. Mais bientôt, Envia recevait des messages frustrés d’ingénieurs de GM qui ne parvenaient pas à reproduire les résultats de la startup. L'année qui a suivi l'annonce, l'accord a été sabordé. La batterie impressionnante d’Envia avait été un coup de chance.

Le compte-rendu de LeVine sur les travaux d’Envia montre pourquoi il est si difficile de réaliser des progrès importants dans le secteur des batteries et pourquoi les startups promettant des avancées révolutionnaires ont connu des difficultés. Au cours de la dernière décennie, nous avons assisté à des améliorations remarquables dans ce secteur, mais celles-ci proviennent en grande partie de sociétés établies qui ont régulièrement progressé.

La cellule d’Envia était un nouveau type de batterie lithium-ion. Inventées à la fin des années 70 et au début des années 80 et commercialisées dans les années 90, ces batteries génèrent un courant électrique lorsque les ions lithium passent entre deux électrodes. Légers mais puissants, ils ont transformé l'électronique portable. Leur utilisation dans les voitures électriques est cependant récente. Dans les années 1990, GM utilisait des batteries plomb-acide moins chères pour son EV-1 électrique; chaque batterie pesait 600 kg et ne livrait que 55 à 95 miles avant de devoir être rechargée. Lorsque Tesla Motors a lancé l’une des premières voitures électriques au lithium-ion en 2008, elle pouvait parcourir 250 km avec une charge, soit environ trois fois plus que la EV-1. Mais le véhicule a coûté plus de 100 000 dollars, en grande partie à cause du coût élevé des batteries. Pour réduire les coûts, les voitures électriques au lithium-ion fabriquées aujourd'hui par des sociétés telles que Nissan et GM utilisent de petites batteries ayant une autonomie inférieure à 100 kilomètres.

Une des difficultés à développer de meilleures batteries est que la technologie est encore mal comprise. Changer une partie de la batterie, par exemple en introduisant une nouvelle électrode, peut entraîner des problèmes imprévus, dont certains ne peuvent être détectés sans des années de test. Pour réaliser les avancées recherchées par les sociétés de capital-risque et ARPA-E, Envia a incorporé non pas un mais deux matériaux d’électrodes expérimentaux.

LeVine décrit ce qui s'est mal passé. En 2006, Envia avait licencié un matériel prometteur développé par des chercheurs du Laboratoire national Argonne. Par la suite, un problème majeur a été découvert. Le problème – ce que l’un des dirigeants d’une entreprise de batteries a appelé un «facteur catastrophique» – était qu’au fil du temps, la tension à laquelle la batterie fonctionnait changeait de manière à la rendre inutilisable. Les chercheurs d'Argonne ont étudié le problème et n'ont trouvé aucune réponse immédiate. Ils ne comprenaient pas assez bien la chimie et la physique de base du matériau pour comprendre précisément ce qui n'allait pas, et encore moins le réparer, écrit LeVine.

Un coup d'œil à l'intérieur d'une Tesla Modèle S montre la batterie, une dalle grise qui occupe la majeure partie de l'espace entre les roues avant et arrière.

Avec son matériau expérimental pour l'électrode opposée, celle-ci à base de silicium, Envia devait relever un autre défi. Les chercheurs avaient apparemment résolu le problème majeur posé par les électrodes en silicium: leur tendance à s'effondrer. Mais la solution nécessitait des techniques de fabrication peu pratiques.

Lorsque Envia a fait son annonce en 2012, elle semblait avoir compris comment faire fonctionner ces deux matériaux expérimentaux. Il a développé une version de l'électrode en silicium qui pourrait être fabriquée à moindre coût. Et par essais et erreurs, il était tombé sur une combinaison de revêtements qui stabilisait la tension du matériau Argonne. Le cofondateur d'Envia Sujeet Kumar "a compris que la réponse était un composite de revêtements", écrit LeVine. "Mais il ne savait toujours pas ce que le composite arrêtait ou pourquoi il avait réussi à le faire." Comme Envia était une start-up avec des fonds limités, il "ne disposait pas des instruments nécessaires pour le comprendre". Il était évident que les résultats rapportés par Envia pour sa batterie ne pouvaient pas être reproduits, il était donc essentiel de comprendre le problème. Même de minuscules modifications dans la composition d'un matériau peuvent avoir un impact significatif sur les performances. Par conséquent, tout ce que Envia savait, sa batterie record a fonctionné en raison de la présence d'un contaminant dans un lot de matériau fourni par l'un de ses fournisseurs.

L’histoire d’Envia contraste avec ce qui s’est avéré être l’effort le plus réussi récemment pour réduire le prix des batteries et améliorer leurs performances. Ce succès n’est pas dû à une avancée décisive, mais au partenariat étroit entre Tesla Motors et le principal fournisseur de cellules de batterie Panasonic. Depuis 2008, le coût des batteries de Tesla a été réduit de moitié, tandis que la capacité de stockage a augmenté d’environ 60%. Tesla n’a pas tenté de modifier radicalement la chimie ou les matériaux des batteries lithium-ion; au lieu de cela, elle a apporté des améliorations incrémentielles en ingénierie et en fabrication. Elle a également travaillé en étroite collaboration avec Panasonic pour peaufiner la chimie des matériaux de batterie existants en fonction des besoins précis de ses voitures.

Tesla affirme être en bonne voie de produire une voiture électrique de 35 000 dollars avec une autonomie d’environ 200 km d’ici 2017, un exploit équivalent à ce que GM espérait réaliser avec la nouvelle batterie d’Envia. La société prévoit de vendre des centaines de milliers de ces voitures électriques par an, ce qui représenterait un bond considérable par rapport aux dizaines de milliers de véhicules vendus actuellement. Cependant, pour que les voitures électriques représentent une part importante des quelque 60 millions de voitures vendues chaque année dans le monde, les batteries devront probablement être considérablement améliorées. Après tout, 200 milles sont loin des 350 km et plus que les gens ont l'habitude de conduire avec un réservoir d'essence, et 35 000 $, c'est quand même un peu plus que le prix de 15 000 $ de nombreuses petites voitures à essence.

Comment allons-nous combler l'écart? Il reste probablement encore beaucoup à faire pour améliorer les batteries lithium-ion, bien qu’il soit difficile d’imaginer que le succès de Tesla avec des modifications mineures de la chimie des batteries se poursuivra indéfiniment. À un moment donné, des changements radicaux tels que ceux envisagés par Envia pourraient être nécessaires. Mais le fiasco d'Envia nous a appris que de tels changements doivent être étroitement intégrés aux compétences en matière de fabrication et d'ingénierie.

Cette approche donne déjà des résultats prometteurs avec le matériau Argonne autorisé par Envia. La batterie d’Envia a fonctionné à haute tension pour atteindre des niveaux élevés de stockage d’énergie. Aujourd'hui, les fabricants de batteries constatent que l'utilisation de niveaux de tension plus modestes peut considérablement augmenter le stockage d'énergie sans les problèmes rencontrés par Envia. Pendant ce temps, les chercheurs en batteries publient des articles qui montrent comment des quantités infimes d’additifs modifient le comportement des matériaux, ce qui permet de réduire la tension et le stockage d’énergie. L'essentiel est de combiner une recherche qui éclaire des détails sur la chimie et la physique des batteries avec le savoir-faire que les fabricants de batteries ont acquis pour la fabrication de produits pratiques.

C’est un secteur dans lequel il est très difficile pour une startup, quelle que soit sa technologie, d’agir seule. Andy Chu, ancien dirigeant de A123 Systems, qui a fait faillite en 2012, m'a récemment expliqué pourquoi les grandes entreprises dominent le secteur des batteries. "Le stockage de l'énergie est un jeu joué par les grands joueurs car il y a tellement de choses qui peuvent mal tourner dans une batterie", a-t-il déclaré. «J'espère que les startups ont du succès. Mais vous pouvez regarder l’histoire de ces dernières années, et ça n’a pas été bon. ”

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