Dans l’arène de l’innovation technologique, les scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l’énergie des États-Unis (DOE) se distinguent par leurs compétences de pointe. Leur projet récent, surnommé affectueusement BatMan, pourrait marquer un tournant décisif dans la production de batteries, avec des implications majeures pour le transport électrifié et l’avenir durable de notre planète.
Un processus de fabrication innovant pour les batteries
Le projet BatMan a mis au point un processus de découpe laser innovant pour modifier la microstructure des matériaux des électrodes de batterie. Financé par le bureau des technologies avancées de matériaux et de fabrication du DOE, ce projet réunit des esprits experts du NREL, de Clarios, du groupe Amplitude Laser et de Liminal Insights. Ce processus de fabrication pourrait débloquer des améliorations significatives pour le transport électrifié, menant la charge vers un avenir plus lumineux et durable.
Défis structurels et innovation nécessaire
Les véhicules électriques (VE) sont identifiés comme la technologie la plus importante pour décarboner le secteur des transports, selon le Conseil international pour le transport propre. Toutefois, il est estimé que les ventes de VE devront atteindre jusqu’à 35 % du marché mondial en 2030 pour réaliser des émissions nettes de gaz à effet de serre nulles d’ici 2050.
De plus, le plan national américain pour la décarbonation des transports cite les VE alimentés par de l’électricité propre comme un composant critique de notre stratégie nationale.
Les avancées continues dans les technologies de batteries peuvent améliorer l’efficacité énergétique et accélérer l’adoption par les clients en permettant aux VE de se charger plus rapidement et de parcourir de plus longues distances. Le secret pour optimiser la performance des batteries réside dans les électrodes, des conducteurs chargés positivement et négativement qui génèrent un courant électrique par le mouvement des ions.
La composition des matériaux, l’épaisseur et la conception structurelle des électrodes peuvent influencer la capacité, la tension et la vitesse de charge de la batterie.
Identifier de nouveaux modèles de pores grâce à la modélisation
Des recherches antérieures du NREL ont mis en lumière comment des motifs complexes de minuscules trous dans une électrode, connus sous le nom de réseau de pores, peuvent débloquer des améliorations de batterie. Ces pores microscopiques créent des points d’accès pour augmenter la diffusion ionique, permettant aux ions de se déplacer plus rapidement pendant la charge et la décharge sans endommager la batterie.
En tant que bonus de fabrication, ces pores accélèrent également la saturation en électrolyte pendant le processus d’humidification.
Une approche laser pour optimiser les électrodes
Avec un réseau de pores cible identifié, l’équipe BatMan a commencé à travailler sur le prototypage à petite échelle et la caractérisation de l’électrode à motifs laser. Les chercheurs ont utilisé un système laser femtoseconde du groupe Amplitude Laser avec des optiques de balayage contrôlées par galvanomètre à grande vitesse pour l’ablation laser, en collaboration étroite avec l’équipe d’Amplitude pour obtenir un contrôle précis du laser en fonction de la position, de la puissance, de la fréquence et du nombre d’impulsions.
Après de nombreux cycles d’ablation laser, de caractérisation et d’ajustement, il était temps de passer à l’échelle supérieure pour une démonstration à haut débit. Les chercheurs ont utilisé la ligne en continu du NREL pour démontrer et réduire les risques de compatibilité de ce nouveau processus afin d’encourager son adoption par les fabricants de batteries.
Améliorer la performance des batteries pour un avenir plus durable
Seul le temps dira combien de temps il faudra avant que les cellules à ablation laser trouvent leur chemin dans les véhicules électriques, mais l’équipe du NREL est optimiste. L’analyse technico-économique du processus de découpe laser estime un coût ajouté minimal à la fabrication de batteries de moins de 1,50 $/kWh, soit moins de 2 %, et les avantages en termes de performance sont indéniables.
Les chercheurs du NREL ont également découvert que les débris de graphite collectés pendant le processus d’ablation laser peuvent être directement réutilisés pour fabriquer de nouvelles cellules de batterie sans aucun impact significatif sur la performance des cellules, ce qui présente une opportunité de réduire davantage le coût de l’ablation laser des électrodes.
Légende illustration :De gauche à droite, Donal Finegan, Bertan Özdoğru et Bertrand Tremolet de Villers célèbrent la démonstration réussie du nouveau procédé de modelage au laser de BatMan, qui modifie la microstructure des matériaux d’électrodes de batterie afin d’en améliorer les performances. Photo par Donal Finegan, NREL
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