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Nous savons tous que le futur sera l’ère des véhicules électriques. C’est inévitable, surtout si nous voulons réduire massivement les émissions de CO2. Mais le principal problème avec les voitures électriques ce sont les batteries; elles sont lourdes et prennent beaucoup de place. Mais une solution existe; stocker de l’énergie directement dans la carrosserie.

Des batteries structurelles

Des chercheurs ont eu l’idée de véhicules dans lesquels une grande partie de la carrosserie ou du fuselage d’un avion serait constituée de batteries structurelles au lithium-ion. La fibre de carbone multifonctionnelle peut fonctionner comme électrodes de batterie et comme matériau porteur.

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Les chercheurs travaillent avec des batteries lithium-ion structurelles dans lesquelles les électrodes négatives sont en fibre de carbone et les électrodes positives en fibre de carbone recouverte de cathode. Dans l’image ci-dessus, la batterie est chargée, ce qui signifie que l’électrode négative est remplie d’ions lithium chargés positivement. (Crédit: Yen Strandqvist, Université de technologie Chalmers).

Les fibres de carbone peuvent fonctionner comme des électrodes de batteries

Une étude menée par l’Université de technologie Chalmers, en Suède, a montré que les fibres de carbone peuvent fonctionner comme des électrodes de batterie, stockant directement l’énergie. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour les batteries structurelles, où la fibre de carbone devient une partie intégrante du système énergétique.

L’utilisation de ce type de matériau multifonctionnel peut contribuer à une réduction significative du poids des aéronefs et des véhicules du futur, un défi majeur pour l’électrification.

Les avions de passagers doivent être beaucoup plus légers qu’ils ne le sont aujourd’hui pour pouvoir être alimentés en électricité. Une réduction de poids est également très importante pour les véhicules afin d’allonger la distance de conduite par charge de la batterie.

Leif Asp, professeur de mécanique des matériaux et de l’informatique à la Chalmers University of Technology, mène des recherches sur la capacité des fibres de carbone à effectuer plus de tâches que le simple fait de servir de matériau de renforcement. Par exemple ils peuvent stocker de l’énergie.

Une carrosserie serait une batterie

« Une carrosserie ne serait alors pas simplement un élément porteur, mais aussi une batterie », explique-t-il. « Il sera également possible d’utiliser la fibre de carbone à d’autres fins, telles que la récupération de l’énergie cinétique, des capteurs ou des conducteurs d’énergie et de données. Si toutes ces fonctions faisaient partie d’une carrosserie de voiture ou d’aéronef, le poids pourrait être réduit de manière significative; en fait jusqu’à 50%. »

Asp a dirigé un groupe multidisciplinaire de chercheurs qui a récemment publié une étude sur l’effet de la microstructure des fibres de carbone sur leurs propriétés électrochimiques, c’est-à-dire leur capacité à fonctionner comme électrodes dans une batterie lithium-ion. Jusqu’à présent, il s’agissait d’un domaine de recherche inexploré.

Les chercheurs ont étudié la microstructure de différents types de fibres de carbone disponibles dans le commerce. Ils ont découvert que les fibres de carbone avec de petits cristaux et pauvrement orientés avaient de bonnes propriétés électrochimiques mais une rigidité plus faible en termes relatifs. Si vous comparez cela aux fibres de carbone qui contiennent de gros cristaux fortement orientés, elles ont une plus grande rigidité, mais les propriétés électrochimiques sont trop faibles pour une utilisation dans les batteries structurelles.

« Nous savons maintenant comment fabriquer des fibres de carbone multifonctionnelles pour atteindre une capacité de stockage d’énergie élevée, tout en garantissant une rigidité suffisante », a déclaré Asp. « Une légère réduction de la rigidité n’est pas un problème pour de nombreuses applications telles que les voitures électiques.

Le marché est actuellement dominé par les composites coûteux en fibre de carbone, dont la rigidité est adaptée à l’utilisation des aéronefs. Les fabricants de fibres de carbone ont donc le potentiel d’étendre son utilisation.  »

Dans cette étude, les types de fibres de carbone présentant de bonnes propriétés électrochimiques présentaient une rigidité légèrement supérieure à celle de l’acier, tandis que les types dont les propriétés électrochimiques étaient médiocres sont environ deux fois plus rigides que l’acier.

Tout en augmentant l’épaisseur cela augmenterait leur capacité de stockage

Les chercheurs collaborent avec les industries de l’automobile et de l’aviation. Leif Asp explique que pour l’aviation, il peut être nécessaire d’augmenter l’épaisseur des composites en fibre de carbone, afin de compenser la rigidité réduite des batteries structurelles. Cela augmenterait également leur capacité de stockage d’énergie.

«L’essentiel est d’optimiser les véhicules au niveau du système, en fonction du poids, de la résistance, de la rigidité et des propriétés électrochimiques. C’est une nouvelle façon de penser pour le secteur de l’automobile, qui est plus habitué à optimiser des composants individuels. Les batteries structurelles ne deviendront peut-être pas aussi efficaces que les batteries traditionnelles, mais comme elles ont une capacité de charge structurelle, des gains très importants peuvent être réalisés au niveau du système. »

Elles seraient plus sûres

Il ajoute: « en outre, la densité d’énergie plus faible des batteries structurelles les rendrait plus sûres que les batteries standard, d’autant plus qu’elles ne contiendraient aucune substance volatile. »

Source : Chalmers University of Technology