Les progrès rapides de la chimie des batteries, combinés à l'évolution des habitudes de mobilité, remettent en question l'approche traditionnelle d'optimisation des performances des batteries. Ici, le Dr Doron Myersdorf, PDG du pionnier de la charge extrême rapide StoreDot, explique pourquoi les fabricants de batteries doivent trouver de nouvelles façons d'augmenter la polyvalence des performances de la batterie au niveau chimique pour répondre à une gamme variée de besoins des conducteurs, et décrit certaines des implications de de nouveaux modèles de conduite pour l'ensemble de l'industrie des véhicules électriques.
Dr Doron Myersdorf, PDG, StoreDot L'industrie des véhicules électriques (VE) évolue à un rythme étonnamment rapide, et cela n'est nulle part plus apparent que dans le domaine du développement des batteries. De nouvelles approches radicales de la chimie des batteries permettent aux développeurs de technologies de surmonter des défis qui auraient été considérés comme impossibles il y a encore cinq ans, comme la capacité de recharger complètement un VE en seulement cinq minutes. Le but de tout ce travail acharné ? Optimiser l'expérience de conduite des véhicules électriques et accélérer la transition vers une mobilité entièrement électrique en surmontant le principal obstacle à l'adoption d'aujourd'hui - l'autonomie et l'anxiété de charge. Cependant, à mesure que la chimie des batteries elle-même continue d'évoluer, il devient évident que l'approche traditionnelle de l'industrie pour optimiser les performances du cycle de vie doit également évoluer.
Commençons par examiner la façon dont les performances du cycle de vie de la batterie ont traditionnellement été mesurées. Ceci est basé sur trois paramètres clés - la densité d'énergie, la vitesse de charge et le nombre de cycles de charge-décharge. Ces variables sont étroitement liées, ce qui signifie que si nous en optimisons une, les autres se détériorent. Ainsi, l'optimisation de la batterie repose en grande partie sur la recherche de la meilleure combinaison de ces trois paramètres. À bien des égards, il s'agit d'un processus assez prévisible, et cela signifie que si nous chargeons une batterie pendant six heures, nous savons qu'elle fournira probablement environ 2 000 cycles.
Cependant, l'arrivée de nouvelles chimies de batterie, ainsi que la sophistication croissante des systèmes de gestion de batterie et l'évolution des habitudes de conduite modifient la donne. Du coup, les performances de la batterie ne sont plus aussi déterministes; au lieu de cela, il peut changer au fil du temps en fonction de la façon dont le véhicule est conduit et chargé. Cela signifie que notre état d'esprit doit également changer. Le fait est que nous ne pouvons pas continuer à optimiser les performances de la batterie de la même manière que nous l'avons fait auparavant, en tant que fonction statique. Il doit être lié au profil du conducteur et doit être dynamique.
Pour les développeurs de technologies de batteries, la nécessité d'identifier les habitudes des futurs conducteurs de VE est particulièrement pertinente. Alors que les systèmes de gestion de la batterie nous donnent la possibilité de modifier certains paramètres au fil du temps si les besoins d'un conducteur changent - par exemple s'il change de travail et a soudainement besoin d'utiliser sa voiture plus fréquemment ou pour des trajets plus longs - la chimie de la batterie est fixe. C'est pourquoi il est si important de s'assurer que la chimie et la conception choisies pour la batterie correspondent le plus possible aux besoins projetés du conducteur.
Cette prise de conscience nous a amenés à réfléchir à ce à quoi ressemblerait le conducteur de VE du futur et à son impact sur ses habitudes de conduite et de recharge. En réalité, il y aura des centaines de profils de conducteurs différents, mais pour des raisons de simplicité, concentrons-nous sur seulement trois. Premièrement, il y a la mère de banlieue, qui utilise principalement sa voiture pour de courts trajets et recharge son véhicule la nuit à la maison. À l'autre extrémité du spectre, il y a l'homme d'affaires qui fait régulièrement de longs voyages, passant souvent la nuit dans des hôtels; pour lui, une charge rapide fréquente est essentielle. Ensuite, il y a le conducteur qui se situe quelque part entre les deux extrêmes, utilisant sa voiture pour des trajets courts et longs et nécessitant donc à la fois une charge lente et rapide.
Pour chacune de ces histoires, il y a une implication sur la spécification de la batterie. Ainsi, par exemple, si un conducteur se charge toujours rapidement, nous devons examiner comment optimiser la chimie en fonction de ce type de comportement pour obtenir le meilleur compromis entre densité d'énergie et durée de vie pour ce conducteur particulier.
Les progrès rapides de la chimie des batteries, combinés à l'évolution des habitudes de mobilité, remettent en question l'approche traditionnelle d'optimisation des performances des batteries De nombreuses considérations chimiques et électrochimiques doivent être prises en compte pour optimiser la formulation et la conception de la batterie en fonction des besoins du conducteur. Cela comprend l'établissement de la combinaison optimale de graphite, de silicium et/ou d'autres métalloïdes dans l'anode, la détermination du bon rapport de charge cathode sur anode et la garantie que les limites de tension de coupure supérieure et inférieure de la batterie restent dans des limites de sécurité. Cependant, chaque décision que nous prenons a des ramifications pour d'autres éléments de la chimie et de la conception de la batterie, et donc tout cela doit être pris en compte pendant la phase de conception.
Lorsque nous avons développé notre technologie de charge extrême rapide (XFC), l'un des principaux défis que nous avons dû surmonter était de gérer l'expansion du silicium pendant le processus de charge rapide. Nous y sommes parvenus en utilisant des nanoparticules qui sont combinées dans une structure 3D pour permettre aux particules de se dilater sans affecter considérablement la structure globale ou le volume de l'anode. Lors de la conception de batteries adaptées à un modèle opérationnel particulier, nous devons déterminer non seulement la meilleure combinaison de matériaux pour optimiser les paramètres les plus importants pour le conducteur, mais également comment chaque combinaison affecte la structure de l'anode. Ainsi, par exemple, alors que les batteries optimisées pour le XFC et la charge lente pourraient être à dominante silicium, seule la batterie XFC nécessitera l'utilisation de nanoparticules pour contrôler l'expansion du silicium pendant le processus de charge rapide.
Pour compliquer davantage les choses, la structure de l'anode est également influencée par le type d'électrolyte et d'additifs d'électrolyte qui sont utilisés dans le cadre de la couche SEI lorsque les ions se déplacent de la cathode à l'anode. Comme le choix des additifs dépend du fait qu'une batterie est optimisée pour XFC, une charge lente ou quelque part entre les deux, cela doit également être pris en compte dans le cadre de la conception globale de l'anode.
La combinaison de matériaux utilisés dans l'anode affectera également les limites de tension de coupure supérieure et inférieure de la batterie, c'est donc une autre variable qui doit être prise en compte lors de la phase de conception. De même, nous devons également prendre en compte l'impact du modèle opérationnel du véhicule sur le rapport de charge cathode sur anode (rapport C sur A) de la cellule de batterie. Il est essentiel d'établir le bon rapport C à A pour garantir que, dans chaque cycle de charge et de décharge, il y a une réaction entièrement réversible, ce qui signifie que tout le lithium peut être entièrement transféré dans les deux sens entre la cathode et l'anode. Lors de la conception de la batterie, nous pouvons augmenter la taille de la cathode ou de l'anode d'environ 5 % afin d'équilibrer le transfert du lithium, car chaque option offre un point d'optimisation différent. Dans une batterie optimisée pour une charge rapide, la cathode doit être légèrement plus grande, alors que dans une batterie optimisée pour une charge lente, la taille de l'anode pourrait être augmentée.
Il est important de s'assurer que la chimie et la conception d'une batterie de VE correspondent le plus possible aux besoins projetés du conducteur. Ce ne sont là que quelques-unes des façons dont la technologie des batteries peut être adaptée pour mieux répondre aux besoins en constante évolution des futurs conducteurs de véhicules électriques. Cependant, les avantages de l'adoption d'une approche plus centrée sur le client vont bien au-delà de l'amélioration des performances de la batterie. Par exemple, la collecte de données sur les habitudes de conduite à grande échelle s'avérera inestimable pour les fournisseurs d'infrastructures lors de la détermination du nombre et du type de bornes de recharge nécessaires, c'est-à-dire s'il faut déployer des bornes de recharge lente ou rapide dans chaque emplacement spécifique.
Cela nécessitera une approche normalisée de la manière dont les données sont collectées et diffusées aux parties prenantes concernées. Ce processus doit commencer au point de vente, le détaillant posant une série de questions telles que "sur une échelle de 1 à 10, quelle est l'importance de la recharge rapide pour vous ?". Une autre approche consisterait à demander au client l'autorisation de télécharger son Google Driver Analytics, accédant ainsi à des informations essentielles telles que la durée moyenne du trajet, la distance, la vitesse de conduite et les habitudes de recharge, d'une simple pression sur un bouton. Le détaillant pourra alors aider ses clients à choisir non seulement le véhicule le mieux adapté à leur mode de vie, mais également le type de batterie optimal en fonction de leurs habitudes de conduite et de charge particulières.
Si nous regardons plus loin sur la route, nous pouvons voir que la dernière étape de ce voyage proposera des batteries entièrement personnalisées en standard. Bien que nous soyons actuellement loin d'atteindre cet objectif, il est essentiel que les éléments de base nécessaires soient mis en place dès maintenant. Ce n'est qu'en plaçant fermement les conducteurs dans le siège du conducteur que nous débloquerons avec succès la prochaine étape du développement de la batterie EV.
La collecte de données sur les habitudes de conduite à grande échelle s'avérera inestimable pour les fournisseurs d'infrastructures lors de la détermination du nombre et du type de bornes de recharge nécessaires 