L’industrie automobile est au milieu d’une révolution, sans doute la deuxième après la première production de masse du modèle T. Les véhicules électriques sont annoncés et commercialisés par pratiquement tous les constructeurs automobiles du monde. Et même s'il faudra encore un certain temps avant que la majorité des véhicules sur la route soient des véhicules électriques, des progrès monumentaux sont réalisés dans la technologie des batteries pour véhicules électriques.
Points clés à retenir
- Les batteries à semi-conducteurs représentent l'avancée la plus attendue à court terme : elles promettent une densité énergétique plus élevée, une charge plus rapide et une sécurité accrue par rapport à la chimie lithium-ion classique.
- Les batteries lithium-fer-phosphate (LFP) gagnent des parts de marché grâce à leur stabilité thermique et leur longévité, même à une densité énergétique plus faible.
- Les batteries sodium-ion apparaissent comme une alternative moins coûteuse pour les véhicules électriques d'entrée de gamme et le stockage stationnaire, où la densité énergétique est moins critique.
- Les systèmes de gestion de batterie (BMS) évoluent parallèlement à la chimie des cellules pour optimiser la charge, la régulation thermique et le suivi de l'état de santé en temps réel.
- Les techniciens de maintenance doivent surveiller les changements de composition chimique des batteries des véhicules électriques, car les procédures de diagnostic et les exigences de sécurité varient selon le type de batterie.
- Les outils de diagnostic Midtronics xEV sont conçus pour s'adapter à l'évolution des architectures de batteries de véhicules électriques, aidant ainsi les ateliers de réparation à mesure que le paysage technologique évolue.
Plus de la moitié des acheteurs potentiels de voitures déclarent que l'anxiété liée à l'autonomie est un obstacle à l'achat d'un VE. Que ce soit en raison des limitations de capacité ou du temps nécessaire pour recharger une batterie, la construction et l’intégration de meilleures batteries seront absolument cruciales au cours de la prochaine décennie.
Voici où en est la technologie actuelle des batteries EV et ce que vous pourriez voir d’ici la fin de la décennie.
Batteries lithium-ion
Une écrasante majorité de véhicules électriques sont construits avec des batteries lithium-ion. Ce type de batterie se trouve actuellement dans les véhicules électriques les plus vendus sur le marché et devrait également figurer dans les modèles à venir dans les prochaines années. Généralement, les batteries Li-ion offrent une densité énergétique élevée et sont légères par rapport aux technologies plus anciennes, et elles peuvent être chargées en toute sécurité. Ils ont un faible taux de décharge et fournissent une énergie constante tout au long de la décharge.
Toutefois, les batteries Li-ion ne sont pas irréprochables. Bien qu’elles représentent moins de la moitié du poids des batteries au plomb, elles sont assez lourdes si l’on considère les besoins à longue portée. La recharge est également relativement rapide, mais prend encore beaucoup plus de temps que le ravitaillement d’un véhicule ICE.
La préoccupation la plus répandue concernant la technologie Li-ion réside peut-être dans ses matériaux. Que vous examiniez les modèles les plus courants d'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (NMC), d'oxyde de lithium-nickel-cobalt-aluminium (NCA), d'oxyde de lithium-manganèse (LMO) ou de phosphate de fer-lithium (LFP), ils utilisent tous des métaux de terres rares. Bien qu’il soit difficile de le dire avec certitude, l’approvisionnement en ces matériaux rares et controversés ne semble pas durable.
Pour les batteries Li-ion actuelles, chaque composition présente des forces et des faiblesses.
- Les batteries NMC ont des performances, une énergie et des coûts modérés, mais leur stabilité thermique est en deçà des autres options.
- Les batteries NCA ont tendance à être plus chères et produisent d'excellents résultats pour une énergie et une puissance spécifiques, mais elles sont plus volatiles.
- Les batteries LMO sont actuellement parmi les plus rentables du marché et sont moyennes en termes de capacité énergétique, mais ont les performances et la durée de vie les plus faibles.
- Les batteries LFP dominent en raison de leur stabilité thermique, de leur sécurité, de leur coût et de leur durée de vie, mais leur énergie et leur puissance spécifiques sont inférieures à la moyenne.
Batteries à hydrure métallique de nickel
Pour les véhicules hybrides électriques, la technologie Nickel Metal Hydride (NiMH) a été la solution la plus souvent choisie. Les constructeurs automobiles comme Toyota utilisent des batteries NiMH dans leurs véhicules hybrides depuis la fin des années 1990, et des développements récents comme piles NiMH bipolaires continuez à garder la technologie tout à fait pertinente. Ils coûtent environ la moitié du prix des batteries Li-ion de même taille.
Comme la technologie Li-ion, les batteries NiMH utilisent des matériaux de terres rares comme le cobalt et le lanthane, ainsi que des niveaux élevés de nickel. Ainsi, les préoccupations environnementales sont également nombreuses pour ces batteries.
Les batteries NiMH sont utilisées pour des applications moins demandées, c'est pourquoi les hybrides les utilisent. De plus, ils ont des niveaux d'autodécharge plus élevés et peuvent perdre de leur capacité s'ils sont surchargés, mais cela est annulé en modérant le niveau et le taux de charge. Une charge plus lente est préférable pour les batteries NiMH, et c'est l'une des raisons pour lesquelles les véhicules électriques à plus longue portée n'adopteront pas cette technologie.
Piles à semi-conducteurs
Le développement le plus prometteur pour les véhicules électriques est peut-être batteries à semi-conducteurs. Elles ressemblent beaucoup aux batteries lithium-ion, mais plutôt que d'avoir un électrolyte liquide pour transporter l'énergie d'une électrode à l'autre, cela se fait à travers un matériau solide beaucoup plus dense en énergie. Les constructeurs automobiles investissent des centaines de millions de dollars dans les batteries à semi-conducteurs, car cela réduira considérablement la taille et le poids des batteries et les rendra plus stables.
Étant donné que les batteries à semi-conducteurs sont plus denses en énergie, elles peuvent se recharger en une fraction du temps d'une batterie Li-ion avec un électrolyte liquide. Un autre avantage considérable est la longévité ; là où une batterie Li-ion se dégrade sensiblement après 1,000 90 cycles de charge, les batteries à semi-conducteurs « conservent 5,000 % de leur capacité après XNUMX XNUMX cycles ».
Il reste encore du chemin à parcourir avant que les batteries à semi-conducteurs soient prêtes à être commercialisées, notamment en ce qui concerne la réduction des coûts de production. Il est promis que cela sera possible dans les prochaines années.
Batteries d'anode de silicium
Le graphite est largement utilisé dans les batteries des véhicules électriques, mais sa capacité est limitée. Les développeurs travaillent sur des conceptions qui remplacent le graphite de l'anode par des microparticules de silicium mésoporeuses et des nanotubes de carbone. Le silicium a une capacité environ dix fois supérieure à celle du graphite, et son utilisation comme élément clé dans les cellules de batterie pourrait considérablement améliorer l’autonomie et les temps de charge.
L’un des principaux avantages des batteries à anode en silicium est une dépendance réduite au graphite, remplacé par un produit à base de cendres de balle d’orge raffinées. Il s'agit d'une étape vers une réduction de la dépendance à l'égard de l'exploitation minière des terres rares.
Batteries EV sans cobalt
Sans doute le matériau le plus controversé utilisé dans les batteries Li-ion pour véhicules électriques en raison des pratiques minières au Congo, où il est le plus répandu, le cobalt est largement utilisé dans la fabrication des batteries. Les futures conceptions de batteries Li-ion pourraient supprimer le cobalt dans la cathode. Le cobalt étant si rare et coûteux, son élimination contribuera à réduire le prix et à améliorer les taux d’adoption des véhicules électriques.
Au lieu du cobalt, les développeurs ont travaillé avec 89 % de nickel ainsi que de l'aluminium et du manganèse facilement disponibles pour la cathode. Il semblerait qu'elle soit plus dense en énergie qu'une batterie Li-ion classique et qu'elle puisse également atteindre de plus longues distances avec une seule charge.
Électrodes à nanotubes de carbone
Le carbone cristallisé selon un motif hexagonal est connu sous le nom de graphène et constitue une seule couche d'atomes. Les développeurs de batteries de NAWA Technologies ont réussi à créer des nanotubes de carbone à partir de graphène pour les utiliser comme électrodes dans les batteries de véhicules électriques. Les tubes en graphène sont alignés verticalement pour l'électrode et sont extrêmement conducteurs, ce qui en fait des électrodes en carbone ultra-rapides qui pourraient être utilisées dans les prochaines années.
Les avantages des électrodes à nanotubes de carbone sont énormes. En plus d’une capacité énergétique dix fois supérieure, ils peuvent être rechargés extrêmement rapidement. NAWA affirme qu'une batterie peut être rechargée à 80 % en seulement cinq minutes. Et comme le graphène peut être produit en masse à moindre coût, il peut réduire considérablement les coûts des batteries.
Résumé
Les batteries lithium-ion d'aujourd'hui peuvent vous parcourir des centaines de kilomètres avec une seule charge et durer des années dans un véhicule électrique. Les technologies futures seront capables de recharger beaucoup plus rapidement et de stocker des capacités énergétiques plus élevées, le tout dans une batterie plus légère et plus petite.
Questions fréquemment posées
Qu'est-ce qu'une batterie à semi-conducteurs et quand sera-t-elle disponible ?
Les batteries à électrolyte solide remplacent l'électrolyte liquide des cellules lithium-ion classiques par un matériau solide, ce qui améliore la densité énergétique et la sécurité. Plusieurs constructeurs automobiles ont annoncé des objectifs de développement de batteries à électrolyte solide pour les véhicules électriques à la fin des années 2020, bien que leur production à grande échelle reste un défi. Les protocoles de maintenance des batteries à électrolyte solide différeront de ceux des batteries à électrolyte liquide actuelles.
En quoi la chimie des batteries LFP diffère-t-elle de celle des batteries NMC ?
Les cellules lithium-fer-phosphate (LFP) présentent une meilleure stabilité thermique, une durée de vie plus longue et un coût de production inférieur, mais une densité énergétique moindre que les cellules nickel-manganèse-cobalt (NMC). Elles sont de plus en plus répandues dans les véhicules électriques d'entrée de gamme et les véhicules utilitaires.
Qu'est-ce qu'une batterie sodium-ion ?
Les batteries sodium-ion utilisent le sodium comme porteur de charge, au lieu du lithium. Moins coûteuses à produire et mieux adaptées aux climats froids, elles offrent cependant actuellement une densité énergétique inférieure à celle des batteries au lithium. Elles commencent à équiper des véhicules électriques d'entrée de gamme, principalement sur les marchés asiatiques.
Comment la chimie des batteries influence-t-elle le diagnostic des véhicules électriques ?
Les différentes compositions chimiques présentent des courbes de charge, des plages de tension et des profils thermiques différents. Les outils de diagnostic doivent tenir compte de ces différences lors de l'évaluation de l'état de santé (SoH). Des outils comme le Midtronics xHVS-3000 sont conçues pour fonctionner avec différentes architectures de batteries de véhicules électriques.
Les futures batteries de véhicules électriques nécessiteront-elles de nouvelles procédures d'entretien ?
Oui. Avec l'arrivée de la chimie du solide et d'autres chimies novatrices, les techniciens auront besoin de formations, d'outils et de protocoles de sécurité mis à jour. Il est donc essentiel de rester à jour. Normes SAE et la documentation de service du fabricant d'origine est la meilleure façon de se préparer.
Que doivent faire les magasins dès maintenant pour se préparer aux batteries de véhicules électriques de nouvelle génération ?
Investissez dans des équipements de diagnostic adaptables, assurez-vous que les techniciens sont certifiés haute tension et suivez les bulletins de service des fabricants d'équipement d'origine pour obtenir des conseils spécifiques à la chimie des produits. Centre de solutions pour véhicules électriques de Midtronics constitue un point de départ utile pour les ateliers qui développent leurs capacités de service après-vente pour véhicules électriques.