L'un des défis auxquels est confrontée l'industrie des véhicules électriques est alimentation par batterie. En mai de cette année, le responsable de l’approvisionnement mondial de Tesla a déclaré que l’entreprise prévoyait un pénurie des matériaux clés de la batterie. Les constructeurs automobiles s'efforcent de intégrer verticalement fabrication de batteries dans leur entreprise pour s’assurer qu’ils auront accès aux batteries en cas de besoin.
Contenu
- Les technologies plus anciennes ont un nouvel objectif
- L'avantage des plaquettes de silicium
- Densité et capacité énergétique améliorées
- Moins de croissance de dendrites pour une durée de vie plus longue de la batterie
- Temps de recharge réduit et portée plus longue
- Quand le verrons-nous ?
Cela se produit en grande partie parce que les batteries lithium-ion constituent la norme en matière de cellules rechargeables. Ils sont utilisés dans tout, des appareils photo aux téléphones en passant par les véhicules électriques. En plus d'être coûteuses et dépendantes de ressources rares, les batteries Li-ion présentent un risque de surchauffe et de prise d'incendie, voire même de surchauffe.
exploser. C'est pourquoi compagnies aériennes Je ne veux pas de ces batteries dans leurs soutes. De plus, construire de nouvelles usines pour fabriquer des batteries lithium-ion coûte cher et prend du temps. Tesla a investi 5 milliards de dollars dans son Nevada Giga-usine pour produire en interne des batteries pour le modèle 3. La capacité de Tesla est à environ 24 GWh aujourd'hui, et jusqu'à 35 GWh une fois terminé l'année prochaine.Vidéos recommandées
Ce qu’il faut, c’est une nouvelle architecture de batterie plus facile à réaliser. Idéalement, la nouvelle conception de la batterie aurait une densité énergétique plus élevée et un temps de recharge plus rapide pour la rendre idéale pour une utilisation en véhicule.
Vous savez déjà ce qui va suivre: une entreprise appelée XNRGI basé près de Portland, dans l'Oregon, affirme avoir la réponse. Ce n’est pas rare en soi. Beaucoup de gens prétendent posséder une batterie miracle, mais ils semblent toujours dire qu’ils ne peuvent pas encore vous en parler.
La différence avec XNRGI est qu’ils disposent d’un portefeuille de brevets publiés directement liés à leur technologie de batterie Powerchip, et qu’ils en ont déposé plusieurs autres. L’entreprise a également reçu un financement du ministère américain de l’Énergie pour ses recherches. Avec la protection des brevets et le financement en place, XNRGI est impatient de dire au monde ce qu’il a.
"Nous pensons que nous pouvons désormais résoudre simultanément tous les problèmes liés aux batteries lithium-ion", a déclaré Chris D'Couto, PDG de XNRGI.
Les technologies plus anciennes ont un nouvel objectif
La principale différence entre une batterie lithium-ion conventionnelle et une batterie XNRGI Powerchip réside dans sa composition. Là où les batteries lithium-ion conventionnelles utilisent une suspension de graphite sur un conducteur bidimensionnel comme matériau de construction, la batterie XNRGI utilise du lithium métal dans une tranche de silicium poreux tridimensionnel. Il n’y a rien de nouveau ou de différent dans les plaquettes; ce sont les mêmes disques qui sont fabriqués depuis des décennies par l'industrie des semi-conducteurs.
"Nous suivons des étapes éprouvées de fabrication de puces et les appliquons à cette batterie", a déclaré D'Couto. « Nous prenons quelque chose d’une industrie et l’appliquons à une autre industrie. Nous n’inventons rien de ce côté-là. Nous pouvons acheter les plaquettes, nous n’avons donc pas de gros investissements en capital dans une usine.
Le meilleur, c’est que les batteries XNRGI sont fabriquées avec des plaquettes plus anciennes et plus épaisses qui ne sont plus demandées. Il existe déjà une infrastructure mondiale permettant de fabriquer ces plaquettes à moindre coût et en grande quantité.
L'avantage des plaquettes de silicium
L’avantage de l’utilisation de tranches de silicium pour construire une batterie dépend d’un autre procédé semi-conducteur bien établi. La conception XNRGI utilise des tranches perforées pour créer une surface semblable à une gaufre. Chaque disque de silicium de 12 pouces peut contenir jusqu'à 160 millions de pores microscopiques. Ensuite, les tranches sont recouvertes d'une surface non conductrice sur une face. L'autre côté de la plaquette est recouvert d'un métal conducteur pour transporter le courant électrique.
"Les revêtements métalliques que nous utilisons proviennent de l'industrie des puces", a déclaré D'Couto, "et les revêtements isolants proviennent de l'industrie des puces et sont utilisés ici. Nous n’inventons rien côté processus.
XNRGI-Batterie PowerChip
La nature poreuse de la plaquette augmente la surface totale de la batterie jusqu'à 70 fois par rapport à une surface bidimensionnelle. Chaque pore est physiquement séparé de ses voisins, ce qui contribue à éliminer les courts-circuits internes et aide la batterie à résister à la dégradation au fil du temps et de l'utilisation.
"Chacun de ces petits trous est en fait une toute petite batterie", a observé D'Couto. «Lorsque l’un d’entre eux échoue individuellement, l’échec ne se propage pas. Cette architecture rend la batterie totalement sûre en empêchant l’emballement thermique et les explosions.
Densité et capacité énergétique améliorées
La technologie des plaquettes de XNRGI est conçue pour être placée du côté anode d'une batterie. Lorsqu’une batterie est complètement chargée, l’anode est comme un seau d’électrons. Lorsque la batterie se décharge, les électrons traversent le circuit vers le côté cathode de la batterie. Lorsque la batterie est rechargée, le seau d'anode se remplit.
« Aujourd’hui, quand on parle d’une batterie Lithium-ion, c’est du lithium intercalé avec du graphite », a expliqué D’Couto. "Depuis la création des batteries lithium-ion, le graphite a été utilisé du côté de l'anode pour fournir une place de stationnement permettant aux ions lithium d'atterrir et de décoller."
L'un des énormes avantages de la conception des plaquettes de silicium poreuses est que l'anode XNRGI a une surface 70 fois plus grande qu'une anode en graphite. et utilise du lithium métallique pur, donnant à l'anode du Powerchip environ 10 fois la densité énergétique des anodes de batterie lithium-ion existantes.
"Nous obtenons une plus grande densité d'énergie en raison de l'augmentation tridimensionnelle de la surface", a déclaré D'Couto.
Moins de croissance de dendrites pour une durée de vie plus longue de la batterie
L’une des raisons pour lesquelles les batteries rechargeables se dégradent avec le temps est que, lorsque l’anode subit des cycles de décharge et de charge répétés, une accumulation de produits chimiques se forme à la surface de l’anode. Cette accumulation est appelée « dendrite » et ressemble à une stalactite calcaire. Les dendrites peuvent éventuellement percer le séparateur physique entre l'anode et la cathode et court-circuiter la batterie.
"Lorsque la dendrite traverse le séparateur, la batterie tombe rapidement en panne", a expliqué D'Couto.
Les ions lithium transportent également d'autres matériaux qui s'accumulent comme de la plaque sur le séparateur entre les côtés anode et cathode de la batterie, obstruant essentiellement la batterie et réduisant ses performances. L'anode XNRGI résiste à la formation de dendrites et prolonge la durée de vie de la batterie grâce au revêtement non conducteur de la plaquette de silicium. Les éléments transportés avec les ions lithium ne collent pas à cette surface et ne peuvent donc pas facilement former de dendrites ou accumuler de la plaque.
D’Couto estime qu’une batterie XNRGI Powerchip offrira une durée de vie trois à cinq fois plus longue que celle qu’une batterie lithium-ion peut atteindre aujourd’hui.
Temps de recharge réduit et portée plus longue
La surface accrue à l'intérieur d'un Powerchip signifie que la batterie peut se décharger et se recharger beaucoup plus rapidement que les cellules lithium-ion conventionnelles. Cela signifie que plus de puissance est disponible lorsque vous conduisez. Plus important encore, cela signifie une recharge plus rapide.
Selon D’Couto, l’anode Powerchip est capable de se recharger à 80 % à vide en 15 minutes. La recharge la plus courante de 10 % à 90 % est également ciblée sur 15 minutes. En plus d'une charge rapide, XNRGI estime que les batteries Powerchip augmenteront l'autonomie des véhicules électriques jusqu'à 280 % par rapport à une batterie lithium-ion conventionnelle du même poids. Pour référence, cela signifie qu’un véhicule électrique actuel avec une autonomie de 250 milles (comme beaucoup l’ont fait) aurait une autonomie de 700 milles.
La batterie XNRGI est également beaucoup plus légère que les cellules actuelles. Les constructeurs automobiles pourraient choisir de fabriquer des véhicules électriques plus légers et plus efficaces, ou d’installer davantage de batteries dans la voiture pour une autonomie encore plus longue au poids actuel.
Quand le verrons-nous ?
À l'heure actuelle, XNRGI travaille avec des entreprises qui utilisent tous les types de batteries, des petits appareils électroniques grand public aux constructeurs automobiles et même aux services publics au niveau du réseau. La société prévoit que le déploiement de produits grand public et les accords de licence seront finalisés au cours des deux à cinq prochaines années, en fonction de l'application de la batterie.
"Nous prévoyons que nos batteries seront utilisées dans des produits de mobilité comme les motos, les scooters, les drones, les robots et bien plus encore en 2020", a projeté D'Couto. « Dans le domaine des véhicules électriques, ce sera probablement en 2022 ou 2023 dans un volume limité, puis l’adoption des véhicules électriques à volume élevé en 2024. C’est à peu près la norme pour l’industrie automobile après des tests approfondis.
L’avènement d’une technologie de batterie sûre, à charge rapide, longue durée et à longue portée est susceptible de changer la donne pour l’industrie des véhicules électriques. Rétrospectivement, alors que des scientifiques du monde entier recherchent une meilleure technologie de batterie, nous ne devrions peut-être pas être surpris que quelqu'un l'ait trouvée.
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