Une étude menée par l’Université de technologie Chalmers, en Suède, montre que les fibres de carbone peuvent fonctionner comme des électrodes de batterie, stockant directement de l’énergie. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour les batteries structurelles, où la fibre de carbone devient partie intégrante du système énergétique.
A l’avenir, l’utilisation de ce type de matériau multifonctionnel pourrait contribuer à réduire considérablement le poids des avions et des véhicules – un défi majeur pour l’électrification.
Les avions de passagers devront être beaucoup plus légers qu’actuellement pour pouvoir être alimentés en électricité. Une réduction du poids pour les véhicules routiers permettra d’augmenter la distance parcourue par charge de batterie.
Leif Asp, professeur de matériaux et de mécanique computationnelle à la Chalmers University of Technology, mène des recherches sur la capacité des fibres de carbone à accomplir plus de tâches qu’un simple rôle de matériau de renforcement comme stocker de l’énergie, par exemple.
« La carrosserie d’une voiture ne serait pas seulement un élément porteur, elle agirait aussi comme une batterie« , dit-il. « Il serait également possible d’utiliser la fibre de carbone à d’autres fins telles que la récupération de l’énergie cinétique, pour des capteurs ou pour des conducteurs à la fois d’énergie et de données. Si toutes ces fonctions faisaient partie de la carrosserie d’une voiture ou d’un avion, cela pourrait réduire le poids jusqu’à 50 %. »
Asp a dirigé un groupe multidisciplinaire de chercheurs qui ont récemment publié une étude sur la façon dont la microstructure des fibres de carbone affecte leurs propriétés électrochimiques, c’est-à-dire leur capacité à fonctionner comme des électrodes dans une batterie lithium-ion. Jusqu’à présent, il s’agit d’un domaine de recherche inexploré.
Les chercheurs ont étudié la microstructure de différents types de fibres de carbone disponibles sur le marché. Ils ont découvert que les fibres de carbone avec de petits cristaux mal orientés ont de bonnes propriétés électrochimiques mais une rigidité relative moindre. Si vous comparez cela avec les fibres de carbone qui ont de gros cristaux très orientés, elles possèdent une plus grande rigidité, mais les propriétés électrochimiques sont trop faibles pour être utilisées dans les batteries structurelles.
Credit : Yen Strandqvist, Chalmers University of Technology
« Nous savons maintenant comment fabriquer des fibres de carbone multifonctionnelles pour atteindre une capacité de stockage d’énergie élevée, tout en assurant une rigidité suffisante« , explique Asp. « Une légère réduction de la rigidité n’est pas un problème pour de nombreuses applications telles que les voitures. Le marché est actuellement dominé par des composites en fibres de carbone coûteux dont la rigidité est adaptée à l’utilisation des avions. Les fabricants de fibres de carbone ont donc la possibilité d’étendre leur utilisation. »
Dans l’étude, les types de fibres de carbone ayant de bonnes propriétés électrochimiques avaient une rigidité légèrement supérieure à celle de l’acier, alors que les types dont les propriétés électrochimiques étaient médiocres sont un peu plus de deux fois plus rigides que l’acier.
Les chercheurs collaborent avec les industries de l’automobile et de l’aviation. Leif Asp explique que pour l’industrie aéronautique, il peut être nécessaire d’augmenter l’épaisseur des composites en fibre de carbone, pour compenser la rigidité réduite des batteries structurelles. Cela permettrait également d’augmenter leur capacité de stockage d’énergie.
« La clé est d’optimiser les véhicules au niveau du système – en fonction du poids, de la résistance, de la rigidité et des propriétés électrochimiques. Il s’agit là d’une nouvelle façon de penser pour le secteur automobile, qui est plus habitué à optimiser les composants individuels. Les batteries structurelles peuvent ne pas devenir aussi efficaces que les batteries traditionnelles, mais comme elles ont une capacité de charge structurelle, des gains très importants peuvent être réalisés au niveau du système. »
« De plus, la faible densité énergétique des batteries structurelles les rendrait plus sûres que les batteries standard, d’autant plus qu’elles ne contiendraient pas de substances volatiles« , a conclu le professeur.
