Les batteries sont les horloges de l'électromobilité

La batterie est la composante clé dans la fabrication d'une voiture électrique. En tant que fournisseur d'énergie, c'est la pièce qui détermine à la fois l'autonomie et le coût d'une voiture électrique. Les voitures électriques actuelles sont basées sur la technologie lithium-ion – selon les experts, elles ne seront pas encore remplaçables à court terme. 60 à 80 pour cent de la valeur ajoutée du système de batterie est déterminée par les cellules de la batterie. La durée de vie, la sécurité, le coût et la performance des batteries lithium-ion sont donc au centre de la recherche sur la mobilité électrique.

La TU Berlin est partenaire du réseau de compétences national allemand sur les batteries lithium-ion (KLIB, http://www.klib-org.de/home/), et plusieurs départements travaillent intensément sur différents aspects de la batterie. Ainsi, le département de la technologie de manipulation et d'assemblage fait partie du grand cluster de compétences financé par le BMBF pour la production de cellules de batteries « ProZell » (https://www.prozell-cluster.de/). La cérémonie d'ouverture de la deuxième phase de financement de ce réseau de recherche a été organisée les 13 et 14 novembre 2019 à la TU Berlin. Dans ce cluster, 26 institutions de recherche et universités à travers l'Allemagne sont impliquées sur 14 sites. Plus de 100 chercheurs travaillent sur douze projets financés autour de la fabrication de cellules de batteries. L'objectif du cluster dans le cadre du concept-cadre du BMBF « Usine de recherche sur la batterie » est d'améliorer les étapes du processus de fabrication des cellules de batteries en termes de performance, de coûts, d'impact environnemental, ainsi que de digitalisation et de recyclage pour une fermeture intelligente des cycles de valeur et de matériaux.

Processus de production plus rapides

« Dans le projet TU Berlin « HoLiB – Procédé à haut débit dans la fabrication de batteries lithium-ion », nous développons une nouvelle méthode à grande vitesse. Nous étudions une multitude d'influences couplées pour comprendre les interactions et optimiser les limites du processus », explique le responsable du département, le Prof. Dr. Franz Dietrich, en soulignant le potentiel de processus de production plus rapides et moins coûteux pour la pénétration économique et sociétale de batteries performantes sur le marché mondial.

Durée de vie des batteries sur banc d'essai

Le Prof. Dr. Julia Kowal s'occupe de la modélisation électrique, thermique et de la durée de vie des batteries, ainsi que de leur caractérisation en termes de performance, comportement thermique et vieillissement. « À l'avenir, des batteries toujours plus légères et compactes seront nécessaires, avec une capacité accrue, une durée de vie plus longue et un prix plus bas. La caractérisation d'une cellule de batterie, concernant ses limites de tension, de courant et de température, ainsi que la conception du système, la modélisation, la simulation, le diagnostic et la surveillance des cellules, sont essentielles pour augmenter l'autonomie et la durée de vie des véhicules électriques », explique Julia Kowal, responsable du département de la technologie des systèmes de stockage d'énergie électrique à la TU Berlin. Dans le cadre du projet de coopération SiCWell avec Daimler AG, Solfas GmbH et deux autres départements de la TU Berlin, la chercheuse étudie par exemple l'influence des commutations à haute fréquence, telles qu'elles sont générées par des convertisseurs, sur la durée de vie des batteries. « Les convertisseurs sont des circuits composés de commutateurs semi-conducteurs, qui sont commutés à haute fréquence. Avec le passage aux semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC), ces circuits deviennent plus compacts et plus efficaces, mais à une fréquence de commutation plus élevée. L'influence sur la durée de vie des batteries reste encore incertaine, et c'est précisément ce que nous étudions dans ce projet. »

Détection des défauts dans les électrodes

Le département des matériaux céramiques, dirigé par le Prof. Dr. Aleksander Gurlo, se concentre sur les techniques et processus de synthèse des électrodes. Des procédés spécifiques tels que le tape casting et le freeze casting sont utilisés. Les compétences particulières de son département résident dans la préparation et le séchage des matériaux de batteries ainsi que dans le séchage sous vide des matériaux d'électrodes. « Dans un projet de recherche actuel, nous travaillons au développement d'une méthode d'analyse spécifique pour caractériser les défauts dans les électrodes des batteries lithium-ion », explique Aleksander Gurlo. Son équipe mène également des recherches sur de tout nouveaux matériaux pour électrodes. « Par exemple, le disulfure de tungstène nanostructuré est considéré comme un matériau prometteur pour l'après lithium-ion. Il présente, comparé à d'autres matériaux conventionnels, une grande stabilité électrochimique », précise le scientifique des matériaux.

Plateforme pour une vue d'ensemble des matières premières

La Prof. Dr. Vera Rotter, professeure en économie circulaire et technologie du recyclage à la TU Berlin, aborde le sujet de la mobilité électrique sous un autre angle : dans le cadre du projet Horizon 2020 ProSUM, par exemple, elle a contribué à la création de la plateforme Urban mine : « Sur cette plateforme interactive et accessible au public, tous les matériaux importants, utilisés par exemple dans les batteries de voitures, les téléphones portables ou d'autres produits en Europe, sont inventoriés. Il s'agit d'environ 450 millions de tonnes de matériaux. Cette vue d'ensemble permet aux fabricants, aux entreprises de recyclage, aux associations ou aux décideurs politiques de repérer quels matériaux apparaissent actuellement ou apparaîtront à l'avenir en Europe. Cela permet aux entreprises de recyclage de mieux planifier les flux de déchets futurs, et aux entrepreneurs de savoir où en Europe ils peuvent se procurer certains matériaux recyclés, afin de réduire la production primaire nuisible pour l'environnement », explique la professeure.

Pour plus d'informations, n'hésitez pas à contacter :

Prof. Dr.-Ing. Franz Dietrich
TU Berlin
Département de la technologie de manipulation et d'assemblage
Tél. : 030/314-22014
Email : f.dietrich@tu-berlin.de

Prof. Dr.-Ing. Julia Kowal
TU Berlin
Département de la technologie des systèmes de stockage d'énergie électrique
Tél. : 030/314-25394
Email : julia.kowal@tu-berlin.de

Prof. Dr. Aleksander Gurlo
TU Berlin
Département des matériaux céramiques
Tél. : 030/314-23425
Email : gurlo@ceramics.tu-berlin.de

Prof. Dr.-Ing Vera Rotter
TU Berlin
Département de l'économie circulaire et de la technologie du recyclage
Tél. : 030/314-28512
Email : vera.rotter@tu-berlin.de