L’avenir du transport aérien pourrait bien reposer sur des innovations technologiques actuellement en cours de développement dans les laboratoires de recherche. Parmi ces avancées, les véhicules aériens électriques à décollage et atterrissage verticaux, ou eVTOLs, se distinguent par leur potentiel à transformer notre manière de concevoir les déplacements urbains et la livraison de marchandises.
Les chercheurs du Laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’énergie (ORNL) travaillent à la conception et à l’évaluation de nouvelles batteries destinées aux véhicules aériens électriques qui décollent et atterrissent verticalement. Communément appelés eVTOLs, ces appareils vont des drones de livraison aux taxis aériens urbains. Ils sont conçus pour s’élever dans les airs comme un hélicoptère et voler grâce à la portance aérodynamique, à l’instar d’un avion.
Par rapport aux hélicoptères, les eVTOLs utilisent généralement un plus grand nombre de rotors qui tournent à une vitesse inférieure, les rendant à la fois plus sûrs et plus silencieux.
Au-delà des batteries de voitures électriques
Les véhicules aériens électriques ne sont pas de simples voitures volantes, et les chercheurs de l’ORNL ont conclu que les batteries des eVTOLs ne peuvent pas simplement être adaptées à partir de celles des voitures électriques. Jusqu’à présent, cette approche a dominé le développement technologique, qui se trouve principalement au stade de la modélisation.
Les chercheurs de l’ORNL ont adopté une approche différente en évaluant comment les batteries au lithium-ion se comportent sous une demande de puissance extrêmement élevée.
« Le programme eVTOL représente une opportunité unique de créer un tout nouveau type de batterie, avec des exigences et des capacités très différentes de ce que nous avons vu jusqu’à présent », a déclaré Ilias Belharouak, un chercheur émérite de l’ORNL qui guide la recherche.
Défis et innovations
Les chercheurs développent de nouveaux matériaux à haute densité énergétique, étudient comment ces matériaux se dégradent dans des conditions extrêmes et développent des systèmes de contrôle de batteries.
« Cela nous oblige à répondre à des questions sur l’interaction entre la sécurité des batteries, la durée de vie et la stabilité à des températures élevées, tout en équilibrant le besoin de courtes rafales de haute puissance avec des réserves d’énergie pour des vols de plus longue portée », a ajouté Belharouak.
Le premier constat majeur d’un vaste projet de recherche sur les eVTOL en cours à l’ORNL est que les exigences de puissance et de performance des batteries eVTOL peuvent réduire considérablement leur longévité et leur durabilité.
Contrairement aux batteries des véhicules électriques, qui se déchargent généralement à un taux constant, les batteries des eVTOL nécessitent des quantités de puissance variables pour les différentes phases de vol, telles que la montée, le vol stationnaire et la descente, certaines phases nécessitant de fortes rafales de puissance.
« Maintenant que nous en savons plus sur ce qui est requis de la batterie eVTOL, nous devrons concevoir les systèmes différemment pour atteindre cet objectif », a déclaré Marm Dixit, chercheur principal à l’ORNL. « Notre focus est fondamental : que se passe-t-il avec les matériaux sous ces charges spécifiques et conditions d’opération ? Nous essayons de comprendre les limites de la chimie des batteries que nous avons maintenant, puis d’ajuster la batterie pour combler cette lacune. »
L’équipe de l’ORNL a fabriqué des batteries au lithium-ion dans l’installation de fabrication de batteries du DOE située à l’ORNL et les a soumises à des simulations des phases de montée des aéronefs eVTOL. Les scientifiques ont étudié ce qui se passait à l’intérieur de la batterie pendant le cyclage – y compris la quantité d’énergie rapidement accessible pendant la phase exigeante du décollage – puis ont testé les matériaux de la batterie pour la corrosion et d’autres changements chimiques ou structurels.
L’investigation systématique liant les profils de vol réels à l’opération physique réelle de la batterie est rare. Cependant, elle constitue un travail préparatoire clé pour le développement de nouvelles chimies de batteries afin d’atteindre des performances de vol sûres.
L’étude inclut des tests d’un nouvel électrolyte développé par l’ORNL — un matériau à travers lequel les électrodes échangent des ions — par rapport à la version de pointe actuelle utilisée dans les batteries au lithium-ion. Utilisant les profils de mission eVTOL, l’électrolyte de l’ORNL a mieux performé, conservant plus de capacité pendant les phases de vol les plus exigeantes en puissance.
Ces résultats démontrent la nécessité de diversifier la manière dont la performance des batteries est mesurée, a déclaré Dixit. « Votre batterie, ce n’est pas juste sa capacité à la fin de 1 000 cycles. C’est ce qui se passe à l’intérieur d’un cycle qui vous dit si votre système va fonctionner ou s’écraser. Et les enjeux sont bien plus élevés ici, car vous demandez combien il est sûr de monter dans les airs. C’est une question à laquelle nous ne connaissons pas encore la réponse. »
Les membres de l’équipe de recherche travaillent à l’amélioration de l’électrolyte et d’autres composants de la batterie afin de repousser les limites techniques de la puissance, de la charge utile et de la sécurité de la batterie. Les expériences récentes ont consisté à collecter des données réelles à partir de vols de drones au-dessus du campus du laboratoire, puis à utiliser ces informations pour développer un profil personnalisé de la charge et de la consommation de la batterie. Les batteries fabriquées à l’ORNL ont ensuite été soumises aux mêmes cycles.
Légende illustration : Les phases de fonctionnement d’un eVTOL nécessitent des quantités variables d’énergie ; certaines exigent que la batterie décharge rapidement des quantités importantes de courant, ce qui réduit la distance que le véhicule peut parcourir avant que sa batterie ne doive être rechargée. Crédit : Andy Sproles/ORNL, Département de l’énergie des États-Unis
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