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Les batteries au lithium-ion font un excellent travail pour alimenter les smartphones, les ordinateurs portables et même les voitures, mais le vol électrique présente des défis uniques quant au stockage d’énergie. Des scientifiques ont mis au point un nouveau type de batterie au lithium qui, grâce à une technologie de charge innovante à haute température, peut être rechargée en cinq à dix minutes pour effectuer des voyages aériens.

Une recharge rapide pour les eVTOL

La raison pour laquelle il est si difficile d’utiliser des groupes motopropulseurs et des batteries électriques pour le vol, par opposition, par exemple, à la propulsion d’une voiture sur une autoroute, est que tout cet équipement doit être transporté dans les airs. Il existe des limites à la quantité d’énergie qu’une batterie peut stocker tout en restant suffisamment légère pour permettre à l’avion de décoller, ce qui n’est rien en comparaison de la densité énergétique offerte par le kérosène traditionnel.
Faire en sorte que ces batteries puissent transporter plus d’énergie par kilogramme est l’un des principaux défis que doit relever l’industrie de l’aviation électrique, même si d’autres facteurs doivent également être pris en compte. Il faut notamment prévoir des temps de charge rapides pour que les véhicules restent en mouvement et épargner les changements de batterie inefficaces, et doter ces batteries de la capacité de fournir les quantités d’énergie requises.
« Les batteries des voitures volantes doivent avoir une densité énergétique très élevée pour pouvoir rester dans les airs », explique Chao-Yang Wang, ingénieur en mécanique à l’université d’État de Pennsylvanie et auteur de cette étude. « Et elles ont également besoin d’une puissance très élevée pendant le décollage et l’atterrissage. Il faut beaucoup de puissance pour monter et descendre verticalement ».
La nouvelle technologie démontrée par Wang et ses collègues s’appuie en fait sur une batterie expérimentale qu’ils ont développée il y a quelques années. Traditionnellement, les batteries au lithium ne peuvent fonctionner en toute sécurité que dans une certaine plage de température. Si elles sont trop froides, des pointes se forment sur l’anode dans un processus connu sous le nom de placage de lithium, tandis que si elles sont trop chaudes, la batterie se dégrade rapidement.

Elle est chauffée à 60 °C en 30 secondes

Les chercheurs ont trouvé un moyen de contourner ce problème grâce à une conception unique utilisant une fine feuille de nickel fixée à la borne négative, qui peut chauffer rapidement la batterie à 60 °C en 30 secondes. La batterie ne reste à cette température que pendant 10 minutes, avant d’être à nouveau refroidie. Cela suffit pour profiter des meilleurs rendements de recharge offerts par des températures de fonctionnement plus élevées, mais épargne la dégradation et le placage du lithium.
Selon l’équipe, ces nouvelles batteries expérimentales ont la densité nécessaire pour alimenter un avion eVTOL sur un trajet de 80 km, mais peuvent être rechargées en cinq à dix minutes grâce à la technologie de charge à haute température. Démontrant la longévité de cette conception, l’équipe a également montré que cette performance peut être maintenue sur 2 000 cycles de recharge rapide.
« Dans des circonstances normales, les trois attributs nécessaires à une batterie pour eVTOL s’opposent les uns aux autres », explique Wang. « Une densité énergétique élevée réduit la charge rapide et la charge rapide réduit généralement le nombre de cycles de recharge possible. Mais nous sommes capables de faire les trois dans une seule batterie. »
La batterie construite par l’équipe n’est pas sur le point d’être déposée dans un taxi volant prêt à décoller. Son développement a plutôt permis de jauger les besoins en matière de batterie pour ce type de transport, qui impliquera des décollages et des atterrissages fréquents et beaucoup de recharges, et de jeter les bases des technologies qui les combinent de manière réalisable.

L’eVTOL est commercialement viable

« J’espère que le travail que nous avons effectué donnera aux gens une idée que nous n’avons pas besoin de 20 ans de plus pour obtenir enfin ces véhicules », déclare Wang. « Je pense que nous avons démontré que l’eVTOL est commercialement viable ».
Cette recherche a été publiée dans Joule.
Source : Pennsylvania State University
Crédit photo : iStock