Que faudra-t-il pour recharger les véhicules électriques plus rapidement ?

Pour obtenir plus de véhicules électriques sur la route, ces scientifiques s'efforcent de recharger une voiture en même temps qu'il faut pour faire le plein dans une station-service

Rebecca Heilweil

Les véhicules électriques sont plus silencieux, plus faciles à réparer et à entretenir, et bien meilleurs pour l'environnement que les voitures à combustion interne traditionnelles. Pourtant, le nombre de véhicules électriques sur la route traîne derrière les voitures qu'ils sont censés remplacer, en partie à cause des temps de charge.

Alors que faire le plein d'un réservoir d'essence ne prend que quelques minutes, charger un VE prend beaucoup plus de temps. À l'heure actuelle, les chargeurs les plus rapides disponibles pour les consommateurs, parfois appelés chargeurs de niveau 3, peuvent charger une batterie de véhicule à 80 % en aussi peu que 20 minutes. Mais les chargeurs les plus disponibles (et abordables) sont beaucoup plus lents. Les chargeurs de niveau 2 prennent plusieurs heures pour charger un véhicule, et les chargeurs de niveau 1, qui se branchent sur une prise domestique typique, peuvent prendre plus de deux jours.

Ces vitesses de charge lentes n'ont fait qu'exacerber "l'anxiété d'autonomie" - la crainte que les batteries ne se déchargent sur la route. Plus de 50 % des 500 propriétaires de véhicules électriques qui ont participé à une enquête OnePoll de 2022 commandée par Forbes Wheels ont déclaré avoir fréquemment ou toujours ce problème. Alors que le secrétaire aux Transports, Pete Buttigieg, a repoussé l'idée que les conducteurs devraient être si inquiets pour l'autonomie, cela reste un obstacle majeur pour les acheteurs potentiels de véhicules électriques. Cela, et le fait que la demande de véhicules électriques dépasse la capacité des constructeurs automobiles à les fabriquer, menace de ralentir la voie de l'électrification.

Les scientifiques, y compris ceux des universités, des principaux fabricants de véhicules électriques et du ministère de l'Énergie, pensent que les véhicules électriques pourraient s'allumer plus rapidement si nous poussions la science de la recharge à ses limites. Ils soutiennent que modifier la chimie interne des batteries EV et la conception des câbles de charge peut aider à éliminer cet obstacle majeur à l'adoption. Le défi consiste à accélérer la charge sans compromettre la sécurité ou la durée de vie à long terme de la batterie. L'objectif est de se rapprocher le plus possible du temps nécessaire pour faire le plein d'un véhicule à combustion interne.

"Il y a beaucoup d'innovations du côté de l'électrochimie qui sont encore au laboratoire", explique Christopher Rahn, qui co-dirige le Battery and Energy Storage Technology Center à la Penn State University. "Ils peuvent être plus chers [et] peuvent nécessiter des processus de fabrication différents. Ils ne sont pas nécessairement prêts à être déployés à grande échelle, mais de nombreux chercheurs ont certainement des résultats passionnants."

L'enjeu fondamental de la charge réside dans l'électrochimie des batteries. Les batteries sont conçues avec deux électrodes : une anode et une cathode. Les ions lithium circulent entre ces deux composants. Lorsqu'une batterie se décharge et alimente une voiture, les ions lithium se déplacent de l'anode à la cathode, ce qui produit des électrons libres et une charge électrique. Lorsque le véhicule est en charge, l'inverse se produit et les ions lithium sont repoussés vers l'anode.

Le problème est qu'à l'intérieur de la batterie, les ions lithium font face à un ralentisseur critique. S'ils voyagent trop vite, ils resteront coincés et ne pourront pas entrer dans l'anode. Lorsque les ions lithium sont pris, il y a moins d'ions lithium pour fournir la charge, ce qui rend la batterie moins efficace. Pire encore, si trop d'ions lithium s'accumulent, la batterie peut se court-circuiter et, potentiellement, déclencher un incendie de batterie.

"Il s'avère que déplacer du lithium, c'est un peu comme faire entrer 100 personnes dans une pièce étroite", explique Venkat Srinivasan, directeur du Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science et directeur adjoint du Joint Center for Energy Storage Research dans l'Illinois. "Il y a une petite porte. Je ferais en sorte que 100 personnes commencent à s'entasser dans l'embrasure de la porte. Ils vont tous rester coincés dans l'embrasure de la porte."

Maintenant, certains pensent que l'utilisation de nouvelles chimies de batterie pourrait faciliter le déplacement des ions lithium dans une cellule de batterie. À Argonne, les chercheurs étudient s'il est possible d'utiliser plusieurs voies pour que les ions lithium se déplacent dans une batterie et réduisent essentiellement l'encombrement.Le défi consiste à concevoir ces portes à un niveau microscopique, explique Srinivasan.

Une autre idée consiste à déterminer si l'utilisation de différents électrolytes - le composant liquide utilisé pour transporter les ions lithium dans les batteries - ainsi que de nouveaux solvants et additifs pourrait accélérer le processus de charge.

Bien entendu, le changement de la chimie des batteries est un processus extrêmement ardu et nécessite des tests et une validation approfondis. Une approche plus facile à mettre en œuvre consiste à mettre à jour le logiciel utilisé pour gérer les batteries pendant leur charge. À l'heure actuelle, les batteries se chargent à un courant constant, ce qui entraîne une diminution des vitesses de charge à mesure que la batterie se recharge. Les chercheurs du Laboratoire national de l'Idaho pensent que de meilleurs algorithmes de batterie pourraient accélérer la charge, en ajustant le courant circulant dans la batterie pendant sa charge.

"Peut-être que vous maintenez le courant bas, puis lorsque la batterie atteint un état de charge d'environ 30 %, vous pouvez augmenter le courant, car à ce moment-là, la résistance interne de la batterie est faible", explique Tanvir Tanim, chercheur principal à l'Idaho National. Laboratoire. "Lorsqu'il se rapproche de la charge complète, vous réduisez à nouveau le taux."

Certains concepts de charge futuristes vont au-delà de la batterie. À l'Université Purdue, professeur de génie mécanique Issam Mudawar étudie comment une nouvelle technologie de refroidissement pourrait améliorer les câbles de recharge des véhicules électriques. À l'heure actuelle, les chercheurs pensent que les véhicules électriques à charge plus rapide auraient besoin de câbles de charge capables de gérer beaucoup plus d'ampères - l'unité de courant électrique - que ce que les véhicules peuvent gérer aujourd'hui. La plupart des chargeurs actuels peuvent fournir environ 500 ampères. À l'heure actuelle, tout courant supplémentaire produirait trop de chaleur.

Mais Mudawar, qui a déjà collaboré avec Ford Motor Co., développe un système qui utiliserait une technologie de refroidissement spéciale pour obtenir plus que 2 400 ampères – 1 400 ampères de courant mettraient à portée de main une charge de VE de cinq minutes. Le système de Mudawar utilise une forme modifiée de liquide de refroidissement qui trouve ses racines dans la technologie utilisée par la NASA. Plutôt que d'utiliser un liquide de refroidissement pur, le système utilise une forme d'ébullition de sous-refroidissement qui tire parti de la formation de bulles.

"Plus le courant électrique est élevé, plus la chaleur est dissipée", explique Mudawar. "Lorsque vous parlez de courants très élevés pour atteindre la charge de cinq minutes, la quantité de chaleur qui doit être évacuée en interne est très importante."

La recharge ultra-rapide des véhicules électriques nécessiterait plus que des démonstrations réussies en laboratoire. Pour fonctionner, ces concepts de recharge futuristes devraient éventuellement être fabriqués à grande échelle, afin que les conducteurs puissent y accéder facilement tout au long de leurs trajets. L'administration Biden espère installer 500 000 chargeurs de véhicules électriques à travers le pays d'ici la fin de la décennie, mais la chaîne d'approvisionnement des composants critiques de la batterie, y compris le cobalt et le nickel, est déjà tendue.

Et si la recharge ultra-rapide se généralisait, le réseau électrique aurait également besoin de mises à niveau majeures, comme Buttigieg l'a déjà reconnu. Le réseau ne peut fournir qu'une quantité de charge à la fois, et l'ajout d'une flotte de chargeurs rapides nécessiterait un équipement capable de gérer cette capacité. À l'heure actuelle, c'est un processus difficile, et même des équipements simples comme des transformateurs peuvent prendre un certain temps à obtenir.

Mais alors que les chargeurs de VE ultra-rapides imiteront idéalement l'expérience de la pompe à essence, la plupart des chargeurs n'auraient pas besoin de fonctionner aussi rapidement. Les chargeurs de VE les plus rapides ne sont nécessaires que pour les personnes sur la route et en dehors de leurs routines normales. L'espoir est que les chargeurs plus lents feront une grande partie du gros du travail consistant à maintenir les voitures du pays chargées, à ravitailler les véhicules alors qu'ils sont assis dans les maisons et les parkings des bureaux.

"Nous devons tous, dans la société, nous rappeler que nous conduisons des voitures pour aller d'un point A à un point B, pas parce que nous aimons aller à la station-service", déclare Tim Pennington, ingénieur de recherche principal au département Energy Storage & Advanced Transportation de l'Idaho National Laboratoire. "Nous n'avons pas besoin d'une charge de dix minutes chaque jour."

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Rebecca Heilweil | EN SAVOIR PLUS

Rebecca Heilweil est journaliste technologique. Elle a écrit pour des points de vente tels que Fortune, le Philadelphia Inquirer et Vox.