L’innovation en matière de batteries pourrait améliorer la fourniture d’énergie aux avions électriques

Selon une étude menée par le Lawrence Berkeley National Laboratory avec l’expertise de l’Université du Michigan, une innovation dans les composants de batterie pourrait aider à maintenir une puissance élevée lorsque les avions électriques atterrissent avec une faible charge.

La recherche apporte une solution à un problème identifié en 2018 dans une étude menée par Venkat Viswanathan, professeur d’ingénierie aérospatiale à l’UM et co-auteur du nouveau travail publié dans Joule.

« Le décollage et l’atterrissage nécessitent tous deux une puissance élevée, et l’atterrissage est plus difficile car vous n’êtes pas complètement chargé », a déclaré Viswanathan. « Pour obtenir une puissance élevée, vous devez réduire toutes les résistances. Tout ce qui affecte la capacité à fournir cette puissance. »

L’équipe a souligné que cela est différent des besoins des batteries de véhicules électriques, qui doivent principalement maintenir leur autonomie.

« Dans un véhicule électrique, on se concentre sur la diminution de la puissance au fil du temps », explique Youngmin Ko, chercheur postdoctoral à la Molecular Foundry du Berkeley Lab et auteur principal de l’étude. « Mais pour les avions, c’est la diminution de puissance qui est cruciale : la capacité à atteindre constamment une puissance élevée au décollage et à l’atterrissage. »

La perte de capacité et la perte de puissance se produisent généralement lorsque les ions lithium ne peuvent plus se déplacer facilement entre les électrodes. Si la perte de capacité est due à la quantité d’ions lithium pouvant se déplacer entre les électrodes, le facteur principal de la perte de puissance est la vitesse. Le problème est que la corrosion s’accumule sur les électrodes, occupant l’espace qui aurait pu abriter les ions lithium et rendant plus difficile l’accès du lithium aux espaces disponibles.

Sous la direction de Brett Helms, auteur correspondant de l’étude et scientifique senior au Molecular Foundry du Berkeley Lab, l’équipe a exploré les interactions entre les électrodes et l’électrolyte en utilisant une approche empruntée à la biologie. Dans les études sur la vie, le domaine généralement appelé « omique » cherche des indices dans les constituants des cellules : quels gènes sont lus, quelles protéines sont fabriquées, etc.

Dans ce cas, l’équipe a testé différentes compositions électrolytiques, en observant les changements subtils qui se produisent dans l’électrolyte à différents endroits de la batterie pendant la charge et la décharge. Les recherches antérieures ont généralement attribué la perte de puissance à des problèmes survenant du côté négatif de la batterie, car le lithium métal est très réactif.

Cependant, l’équipe a observé que des molécules nocives se formaient près du côté positif, dans ce cas de l’oxyde de nickel-manganèse-cobalt. La réaction avec ces molécules a provoqué la fissuration et la corrosion des particules de l’électrode positive au fil du temps, ce qui a entravé le mouvement du lithium et réduit la puissance délivrée.

« Ce résultat n’était pas évident », a déclaré Ko. « Nous avons découvert que le mélange de sels dans l’électrolyte pouvait supprimer la réactivité des espèces généralement réactives, ce qui formait un revêtement stabilisant et résistant à la corrosion. »

L’entreprise 24M (Cambridge, MA) a ensuite construit une cellule de test avec cette chimie et l’a envoyée à And Battery Aero (Palo Alto, CA) – une startup que Viswanathan a cofondée avec son ancien doctorant Shashank Sripad, co-auteur de cette étude et de celle de 2018.

Sripad a testé la cellule en tirant de l’énergie de manière répétée au cours d’une séquence réaliste de décollage, de vol et d’atterrissage, comme si la cellule faisait partie d’un module de batterie complet alimentant un avion électrique. Comparée aux batteries conventionnelles, la nouvelle cellule a conservé le rapport puissance/énergie nécessaire au vol électrique pendant quatre fois plus longtemps.

« Les secteurs du transport lourd, notamment l’aviation, ont été sous-explorés en termes d’électrification », a déclaré Helms. « Notre travail redéfinit ce qui est possible, en repoussant les limites de la technologie des batteries pour permettre une décarbonisation plus poussée. »

Ensuite, 24M construira une batterie complète que And Battery Aero testera sur un support d’hélice, en faisant tourner l’hélice à plusieurs reprises dans la séquence de vol. L’année prochaine, l’équipe a l’intention de tenter d’effectuer un test de vol électrique avec ces batteries.

L’équipe, qui comprend des scientifiques de l’Université de Californie à Berkeley, prévoit également d’étendre l’utilisation de l’omique dans la recherche sur les batteries, en explorant les interactions de divers composants électrolytiques pour mieux comprendre et adapter les performances des batteries aux cas d’utilisation actuels et émergents dans les transports et le réseau.

Viswanathan et Sripad ont un intérêt financier dans And Battery Aero.