Une équipe du CEA Liten spécialisée dans les véhicules électriques a parcouru 1 280 km en 24 heures, en alternant des roulages et des charges rapides avec une Citroën AX électrique équipée de batteries Lithium Ion à base de phosphate de fer (LiFePO4).

Ce record a pour objectif de montrer la "fiabilité" et la "robustesse" de ce type de technologie de batteries. Par ailleurs, les données enregistrées viendront enrichir les bases de données du CEA Liten qui exploite, au quotidien, une flotte de véhicules électriques.

Du 25 octobre 2011 9h00 au 26 octobre 2011 9h00, les membres d'une équipe spécialisée dans la conception de véhicules électriques du CEA Liten (Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux) se sont relayés au volant de l'AX électrique, en alternant 1h25 de roulage autour de Grenoble, soit 105 à 115 km suivant la circulation, suivi d'une charge rapide de 38 minutes.

L'équipe du CEA a ainsi parcouru 1.280 km, un record sur une durée de 24 heures.

Le véhicule utilisé comme « support » par le CEA Liten disposait de 14 kWh d'énergie, fournis par deux packs de batteries réalisés au sein des différentes plates-formes dédiées du CEA Liten. Les accumulateurs à base de LiFePO4 utilisés ayant peu de pertes thermiques, les batteries ne sont pas refroidies. Ainsi, le véhicule avec les batteries ne pèse que 900 kg alors que les voitures standards font généralement 400 à 500 kg de plus.

Au cours des 24h, la température maximale atteinte par la batterie a été de 52.5°C pour une température maximale conseillée de 60°C.

Pour cet essai comme pour tous les autres essais réalisés par les chercheurs du CEA, les packs sont instrumentés en capteurs de température. Le véhicule était également équipé d'une télétransmission permettant d'envoyer, sur les ordinateurs du laboratoire, les coordonnées GPS et les données de la centaine de capteurs mesurant les paramètres de fonctionnement du véhicule.

Ce « record » fait suite au record du monde insolite de trois étudiants hollandais ayant réalisé, en avril 2011, 1.254 km en alternant roulage et charges rapides sur autoroute avec un véhicule électrique de série.

Ces essais de roulage - recharges rapides montrent que certaines professions libérales (taxis, livreurs en ville, infirmières médicales...), par exemple, pourraient utiliser sans modération un véhicule électrique pour leurs trajets professionnels lorsque les infrastructures urbaines de bornes de recharges rapides seront implantées.

Le CEA travaille depuis plusieurs années sur les batteries. La plate-forme STEEVE (pour Stockage d'Energie Electrochimique pour Véhicules Electriques) a été créée en 2009 pour faciliter les partenariats avec l'industrie.

Le développement de nouveaux matériaux d’électrodes

Actuellement, le coût matière d’un accumulateur Li-ion (environ 80 % du coût de la batterie) est affecté à 25 % par le coût de l’oxyde de cobalt (LiCoO2, matériau à l'électrode positive de l'accumateur) et à 25 % par les organes de sécurité, rendus nécessaires par la forte réactivité à haute température de ce composé.

- Pour l’électrode positive, la voie privilégiée est donc de développer le matériau « phosphate de fer lithié » (LiFePO4). Son utilisation dans une nouvelle génération d’accumulateurs conduirait à une réduction de 50% du coût du KWh :

► en raison d’une part de son coût (1/3 de celui du cobalt), qui permet de réaliser de fortes économies sur des packs batteries automobile destinés à être fabriqués en série ;

► grâce d’autre part à la suppression de certains organes de sécurité du fait de sa grande stabilité chimique et électrochimique : la stabilité thermique des accumulateurs au phosphate de fer lithié, éprouvée sur les bancs de tests du CEA-Liten et de l’INES, est supérieure à celle des autres composés, un avantage primordial pour les véhicules électriques dont la quantité de batteries est importante.

- Au niveau de l’électrode négative, le CEA-Liten cherche à développer les accumulateurs Li-ion au-delà de 300 Wh/kg (doublement de la capacité actuelle) en exploitant des matériaux d’électrodes nanostructurés, notamment à base de silicium. Ces nouveaux matériaux permettent d’augmenter l’autonomie des batteries sans conséquence sur le coût, alors que les électrodes actuelles en graphite ne répondent pas aux exigences de durée de vie pour les applications automobile.

Pour les véhicules hybrides, le CEA-Liten travaille à l’introduction d’un oxyde de titane à l’électrode négative en remplacement du graphite, pour permettre des charges rapides complètes en quelques minutes (il s’agit d’une recharge par le moteur thermique, en cours d’utilisation). Les résultats obtenus sont probants : stabilité de l’accumulateur soumis à 2000 cycles charge rapide (70 % de la capacité chargée en 3 minutes) – décharge rapide (2 minutes).

Une architecture plus performante

Par ailleurs, pour remédier aux faibles tensions observées avec ces matériaux, le CEA a développé et breveté une architecture « bipolaire » qui augmente la tension aux bornes de l'accumulateur. Cette configuration permet la mise en série d'éléments en utilisant un collecteur de courant commun entre l'électrode positive et l'électrode négative, les collecteurs de courant délimitant par ailleurs des compartiments électrolytiques distincts.

L’intérêt des nanomatériaux pour les accumulateurs

Dans tous les types d’accumulateurs, la composition et la structuration des matériaux « actifs » des cellules élémentaires (les deux électrodes et l’électrolyte, où ont lieu les réactions électrochimiques) déterminent les performances de l’ensemble.

Depuis plusieurs années, les fabricants ont de plus en plus recours aux nanomatériaux, qu’il s’agisse de matériaux nanométriques – le matériau est lui-même à l’échelle nanométrique – ou matériaux nanostructurés – le matériau est d’une plus grande taille mais ses propriétés sont modifiées par des inclusions, des revêtements ou une structure particulière de taille nanométrique -.

Les nanomatériaux apportent différents avantages :

• Augmentation de la surface de contact électrode/électrolyte, pour permettre de forts régimes de charge/décharge ;
• Raccourcissement des « parcours » électrochimiques, permettant l’utilisation de matériaux faiblement conducteurs ioniques et/ou l’application de régimes charge/décharge importants ;
• Meilleure résistance mécanique des particules aux changements de volume induits par l’insertion/désinsertion des ions Li+ (charges/décharges) : cela est particulièrement vrai pour l’emploi du silicium en électrode négative.

Au-delà de cet effet de taille, l’intérêt des nanomatériaux est considéré selon les critères suivants :

• Les changements de comportement observés sur un même matériau lorsque l’on descend à l’échelle nanométrique ;
• Les facilités/contraintes de fabrication liées au passage à l’échelle nanométrique ;
• La nécessité de conserver une certaine densité d’énergie massique et volumique pour les accumulateurs lithium : les chercheurs doivent trouver l’équilibre entre nanomatériaux et matériaux « périphériques » (liants polymères, carbone…).

De fait, l’utilisation de nanomatériaux dans les accumulateurs Li-ion devient incontournable, mais pas systématique ; elle intervient pour résoudre certaines limitations de matériaux « massifs » ou pour mieux exploiter certaines de leurs propriétés.