Volkswagen Magazine

PENSER PLUS LOIN

la danse des molécules.

L’électromobilité va-t-elle devenir un phénomène de masse ? Cela dépendra avant tout de la puissance, de la sécurité et du prix des batteries de voitures. Volkswagen fait des recherches sur de nouveaux matériaux et développe les batteries de la prochaine génération et de celle qui suivra.

Texte  Sabrina Künz
Illustration KircherBurkhardt Infografik

Deux tonnes et demie sur la balance, dont une batterie au plomb de 850 kg : c’est avec ce poids lourd que Volkswagen présenta en 1972 son premier véhicule électrique, le transporter T2 Electric. Ce pionnier de l’automobile électrique atteignait une tranquille vitesse maximale de 70 km/h et développait une puissance de pointe de 45 ch (33 kW). Depuis, les véhicules électriques Volkswagen ont perdu beaucoup de poids. La batterie de la e-up!, par exemple, pèse 230 kg, sa vitesse maximale est de 130 km/h et sa puissance de 82 ch (60 kW).

 

Malgré tout, beaucoup se demandent pourquoi la technologie ne parvient pas à maigrir plus rapidement. Si la mémoire de notre téléphone portable est aujourd’hui bien plus vaste que celle des énormes ordinateurs du passé, pourquoi personne n’a-t-il encore conçu de batterie pouvant se loger dans la boîte à gants et d’une autonomie de 600 kilomètres ? L’explication, c’est que la technique des batteries et accumulateurs est un processus chimique, et que l’on ne peut donc pas faire une telle comparaison.

Comment fonctionne une batterie électrique ?

Jetons un coup d’œil dans la batterie de la e-up !. C’est dans la cathode que sont stockés les ions lithium (en rouge) entre les couches d’oxyde métallique.

Pour ses véhicules électriques, Volkswagen mise sur les batteries lithium-ion. Comment peut-on les améliorer ? Au service de recherche et développement de Volkswagen, plus de 100 personnes travaillent sur la question. Leur objectif est de développer au cours des quatre prochaines années des prototypes pour des cellules d’une densité énergétique de 280 wattheures par kilogramme (Wh/kg) – aujourd’hui, les batteries présentent une densité maximale de 180 Wh/kg. Pour atteindre le but qu’ils se sont fixé, les chercheurs analysent des systèmes et matériaux déjà utilisés, testent des alternatives, construisent des véhicules destinés à la recherche et étudient les prototypes d’autres constructeurs. La société de recherche de « Volkswagen VARTA Microbattery » existe depuis 2009 à Ellwangen. Cette joint venture emploie 40 personnes œuvrant au développement de batteries lithium-ion pour les véhicules électriques. Elles testent avec Volkswagen si les résultats des recherches peuvent être mis en pratique dans la production en série, car bon nombre de matériaux prometteurs en laboratoire se révèlent bien décevants dans la pratique. Même certaines des batteries « porteuses d’espoir » n’arrivent pas jusqu’à la série, parce que la densification des cellules est insuffisante, par exemple. Cet aspect est important, car des particules de différentes tailles se trouvant dans la couche active font en sorte que l’espace restreint soit exploité au maximum. D’autres matériaux présentent certes une haute densité d’énergie mais peuvent se rompre rapidement, ce qui empêche leur production en série. Le succès d’une batterie dépend de cinq critères : la durée de vie, l’énergie, la puissance, la sécurité et les coûts.

Qu’est-ce qui fait le dynamisme de la e-up! ?

Pendant la charge, les ions lithium (en rouge) passent de la cathode (à droite) à l’anode via le séparateur et sont stockés dans la structure de graphite.

Comment est faite une batterie de voiture ?

Structure Au sens strict, une batterie de voiture n’est pas une batterie mais un accumulateur. Il est composé de nombreuses unités produisant du courant, par exemple d’environ 200 cellules dans le cas de la e-up !. Elles disposent d’une cathode (électrode positive) en lithium-oxyde métallique et d’une anode (électrode négative) en graphite. La cathode et l’anode sont partagées par un séparateur, une fine membrane en plastique qui isole les électrodes mais laisse passer les ions. Par ailleurs, les accumulateurs contiennent un liquide conducteur d’électricité appelé électrolyte.

Processus Dans la cathode sont stockés des ions lithium qui se déplacent librement entre les couches d’oxyde métallique. Lors de la charge, ils passent entre les couches de graphite de l’anode via l’électrolyte puis absorbent les électrons. La densité énergétique de la batterie, mesurée en wattheure par kilogramme (Wh/kg), joue un rôle important pour les véhicules électriques. Plus il y a d’ions lithium libres dans la cathode, plus ils peuvent se stocker de l’autre côté, dans l’anode, pendant la charge, et plus l’autonomie du véhicule électrique augmente. Pendant la décharge, les ions issus de la structure de graphite repassent dans l’oxyde métallique de l’électrode positive via l’électrolyte.

Durée de vie.

La durée de vie est mesurée en cycles de charge. Une cellule est prête pour la production en série lorsqu’elle a passé 1 600 cycles. Dès qu’une batterie est chargée, elle essaie de rétablir son état de repos thermodynamique. Elle se décharge peu à peu, même lorsqu’elle n’est pas utilisée. C’est ce que l’on appelle l’autodécharge. En outre, la batterie vieillit selon la fréquence, la méthode et le temps de charge et de conduite du véhicule électrique. Ces aspects sont influencés par des facteurs environnementaux. L’augmentation de la température favorise l’autodécharge. Lorsqu’elle n’est pas utilisée et ne chauffe pas, une batterie s’use moins. Cependant, si l’on utilise sa voiture, elle s’use plus rapidement quand il fait froid, vu que les ions des cellules sont alors plus lents et que leur déplacement nécessite davantage d’énergie. Le « Lithium Plating » peut en être une conséquence. Dans ce cas, du lithium se dépose sur l’anode, réagit et forme une couche solide empêchant le passage des ions. Les scientifiques cherchent des moyens pour augmenter la durée de vie des batteries. Ils testent notamment des matériaux moins sensibles à la température.

Énergie et puissance.

La deuxième grande question est celle de l’énergie, en d’autres termes la disponibilité, l’autonomie électrique, le temps de charge et l’infrastructure nécessaire. Pour augmenter l’autonomie, les batteries doivent devenir plus légères. Les cellules constituent environ 62 % du poids total de la batterie d’un véhicule électrique. Les chercheurs travaillent donc à une technique de construction légère pour la structure, c’est-à-dire pour les composants non actifs. Et ce, avec succès. Les éléments des batteries de la première génération étaient par exemple vissés, ceux de la deuxième étaient soudés. Cela réduit le poids. Ils veulent aussi mieux utiliser l’espace d’installation. Pour la génération suivante, ils se sont fixé l’objectif de doubler la capacité dans le même espace. Des travaux de recherche sont également menés sur des matériaux permettant d’augmenter l’autonomie. Volkswagen perfectionne la cellule lithium-ion et poursuit ses recherches sur de nouvelles combinaisons de matériaux, par exemple la batterie lithium-soufre avec une densité énergétique potentielle de 600 Wh/kg ainsi que la batterie lithium-air avec 1 000 Wh/kg. Des tests à long terme montreront si elles répondent aux critères de la production en série. Dans ce contexte, les performances jouent un rôle important, car la conduite dynamique, l’accélération ou le freinage dans différentes configurations telles que les hybrides plug-in ou les véhicules électriques sollicitent considérablement la batterie.

Que se passe-t-il lors du freinage ?

Bienvenue dans l’anode ! C’est ici que les ions lithium (en rouge) absorbent les électrons (en jaune). Plus il y a d’ions libres dans la cathode, plus ils peuvent se stocker dans l’anode pendant la charge et plus l’autonomie du véhicule électrique augmente.

Sécurité.

Le thème de la sécurité est extrêmement important. La densité énergétique élevée dans un espace restreint peut entraîner des courts-circuits et des incendies. La sécurité des batteries doit être telle que personne ne soit mis en danger en cas d’accident. Dans les véhicules électriques Volkswagen, la batterie est positionnée de façon à ne pas être endommagée lors d’accidents. Par ailleurs, Volkswagen poursuit ses recherches sur des matériaux qui ne déclenchent aucune réaction chimique indésirable. Dans le cadre du fonctionnement normal du véhicule, la maintenance et la réparation des batteries doivent être possibles en toute sécurité et simplicité. En effet, les coûts doivent être comparables à ceux des propulsions classiques.

Coûts.

Pour finir, parlons du dernier critère décisif : les coûts. La batterie électrique coûte quelques milliers d’euros de plus que la batterie traditionnelle. Sans batterie, la production en grande série d’une voiture électrique coûterait autant que celle d’un véhicule à essence. D’intenses travaux sont menés en recherche et développement d’une part pour que les véhicules électriques deviennent accessibles à un plus grand nombre de clients, et d’autre part pour que le cycle des matériaux soit équilibré. En d’autres termes, tous les composants de la batterie doivent être recyclables afin de protéger l’environnement et au bout du compte de baisser les coûts. Ces derniers restent un grand défi pour l’avenir, car bien des gens ont envie de tester de nouvelles propulsions. Un sondage représentatif réalisé par l’association Hightech BITKOM en août 2013 a révélé que deux tiers des Allemands aimeraient s’acheter une voiture électrique, mais 40 % seulement si le coût total ne dépasse pas celui d’un véhicule classique.

 

Grâce à son propre département de recherche, Volkswagen contribue à définir l’avenir de la mobilité. Même s’il ne faut pas s’attendre à une révolution du jour au lendemain comme ce fut le cas pour la miniaturisation des puces d’ordinateurs, les années à venir vont apporter bien des changements. Que ce soit pour la voiture tout-électrique, hybride ou à moteur thermique moderne, les résultats obtenus en recherche et développement seront intégrés dans toutes les futures Volkswagen.