À l'intérieur d'un laboratoire testant l'avenir des batteries de véhicules électriques

Oct 19, 2023

ANN ARBOR, Michigan — À l'intérieur de ce modeste bâtiment en briques sur le campus de l'Université du Michigan, les scientifiques se concentrent sur la résolution de certains des plus gros problèmes liés aux batteries de véhicules électriques et tentent de les résoudre avant qu'ils ne menacent la croissance rapide de l'industrie.

Les chercheurs de «l'espace des fabricants» de batteries se sont inspirés de tout, des tweets d'Elon Musk au problème frustrant des batteries lithium-ion qui prennent feu. C'est devenu un point chaud pour les scientifiques des universités et des grands constructeurs automobiles comme Ford Motor Co. et Mercedes-Benz pour utiliser des équipements de pointe pour tester des technologies de batterie expérimentales et complexes avant de les lancer pour une production à grande échelle.

Le petit laboratoire est l'un des rares centres qui permettent à presque tous les scientifiques ou ingénieurs de tester les dernières technologies, ce qui lui confère un rôle démesuré dans la course technologique autour des batteries avancées pour les véhicules électriques qui pourraient déterminer si les États-Unis atteignent le climat agressif de l'administration Biden. objectifs et facilite l'emprise de la Chine sur les chaînes d'approvisionnement.

"Si vous allez remplacer tous les véhicules sur la route [par] des véhicules électriques, cela fait beaucoup de batteries. Il est logique d'intégrer votre technologie dans un véhicule", a déclaré Greg Less, directeur du laboratoire. "Mais tu dois marcher avant de pouvoir courir."

La conception des batteries EV est devenue une préoccupation commerciale et politique majeure avec la mise en œuvre de la loi sur la réduction de l'inflation, une loi de 369 milliards de dollars visant en partie à stimuler l'adoption des EV, bien qu'elle contienne des exigences strictes pour l'approvisionnement en minéraux et pièces de batterie.

Alors que la plupart des véhicules électriques sont aujourd'hui alimentés par des batteries lithium-ion - une technologie vieille de plusieurs décennies également utilisée dans les ordinateurs portables et les téléphones portables - les chercheurs liés aux universités et aux constructeurs automobiles recherchent des moyens de créer des batteries encore meilleures. Ils veulent augmenter la capacité, accélérer le temps de charge, réduire les coûts et utiliser les matériaux les plus écologiques et socialement responsables qu'ils peuvent trouver.

L'emplacement du laboratoire de l'Université du Michigan n'est pas une erreur. Outre la startup de la côte ouest Tesla Inc. et l'écosystème que la société a créé, Less dit que de nombreuses sociétés automobiles sont présentes dans le sud-est du Michigan, telles que des sociétés automobiles basées à Detroit comme Ford et General Motors Co. et des constructeurs automobiles étrangers comme Mercedes- Benz et Hyundai Motor Co.

Niché le long d'une rue tranquille bordée d'arbres sur le campus de l'université, le laboratoire de 10 millions de dollars se trouve dans une rangée de bâtiments près de la bibliothèque du président Gerald Ford et d'un musée archivisant la vie et l'œuvre du 38e président. L'installation est le résultat d'une collaboration entre l'université, la Michigan Economic Development Corp. et Ford, visant à concevoir et à construire plus rapidement des prototypes de batteries.

À l'intérieur se trouvent 9 000 pieds carrés d'espace de recherche, y compris ce que Less appelle une "presse à pâtes géante", une machine qui recouvre de longues bandes métalliques de minéraux transformés qui finiront par entrer dans des batteries de test EV. Une "salle sèche" à proximité est utilisée pour assembler des cellules de batteries lithium-ion. D'autres machines mesurent comment les prototypes retiennent et libèrent une charge électrique ou effectuent des "tests d'abus", ce qui signifie que les batteries subissent des fluctuations de température extrêmes ou sont endommagées. Derrière une vitrine, un panneau mobile avec un outil attaché utilisé pour percer les piles reste inactif. Less explique que les chercheurs perforent ou mettent le feu aux batteries pour voir comment elles réagissent.

Ted Miller, qui gère la recherche sur les cellules de batterie et l'ingénierie avancée de Ford, a déclaré que le laboratoire avait joué un rôle essentiel en aidant le constructeur automobile à tester la technologie qui aide maintenant à définir directement la technologie des cellules EV de nouvelle génération de Ford, ainsi que les plans de l'entreprise pour évoluer. au Ford Ion Park, son propre site de recherche et développement.

Alors que l'industrie des véhicules électriques est en plein essor, les constructeurs automobiles étendent leurs capacités de recherche internes et exploitent les ressources de laboratoires similaires à New York, dans l'Indiana, au Texas et dans l'État de Washington.

Mais Less a déclaré que la demande d'installations de recherche dépasse toujours ce qui est disponible, et que les besoins devraient augmenter à mesure que les fonds de la loi sur la réduction de l'inflation prennent racine, que les chaînes d'approvisionnement nationales se matérialisent et que la chimie et les technologies des batteries évoluent plus rapidement.

Il s'agit d'une demande croissante dont le gouvernement fédéral est parfaitement conscient et s'efforce de répondre. Un consortium public-privé dirigé par le département de l'énergie et géré par le laboratoire national d'Argonne plus tôt cette année a appelé à la création d'un réseau national de «lignes pilotes» partagées ou de lignes de production précommerciales - un peu comme le laboratoire de l'Université du Michigan - pour renforcer l'industrie nationale des batteries.

"Ces installations sont extrêmement importantes pour le pays, et nous avons besoin d'un réseau", a déclaré Venkat Srinivasan, directeur du Centre collaboratif d'Argonne pour la science du stockage de l'énergie. "Ce type de laboratoire est le moyen de réduire les risques liés aux innovations afin que vous puissiez vous prouver, à vous-même et à tous les autres, que vous avez quelque chose de convaincant."

Miller a convenu: "Étonnamment, il reste vrai que le [laboratoire] n'est que maintenant dupliqué par d'autres alors que la révolution des véhicules électriques se déroule."

L'histoire d'origine du laboratoire universitaire découle de ce qui est devenu une chasse rapidement plus compétitive pour les batteries EV qui peuvent répondre à une myriade de qualités.

Fondamentalement, les fabricants veulent des batteries qui permettent aux voitures de parcourir de longues distances sans avoir besoin de se recharger et de s'allumer rapidement. Mais ils ont également un œil sur d'autres préoccupations, comme essayer d'exclure les matières premières des pays ayant des problèmes de droits de l'homme - une étape qui peut nécessiter une refonte totale des composants de la batterie afin d'éliminer un minéral spécifique.

Alors que Less se déplaçait dans le labyrinthe de pièces remplies d'équipements du laboratoire lors d'une récente tournée, il a expliqué que la chimie change également à mesure qu'une batterie grossit. La plupart des constructeurs automobiles ne souhaitent pas voir les données à moins qu'elles ne puissent être démontrées dans un format utile, ce qui peut nécessiter un équipement coûteux.

Ce n'est pas une ressource facile à trouver, dit-il.

"Les gens allaient chez Ford et disaient:" Hé, regardez nos données intéressantes "", a déclaré Less. "Ford a dit:" Eh bien, il y a deux problèmes … nous ne fabriquons pas de batteries, nous achetons des batteries, et même si nous essayions de parler de votre technologie aux personnes à qui nous achetons des batteries, le format que vous présentez est pas utile pour nous, alors montez en puissance et revenez quand vous serez prêt pour les heures de grande écoute », a-t-il déclaré.

Mais pour les personnes essayant de développer des batteries, "la réponse était:" Nous ne savons pas où aller pour passer à l'échelle "", a déclaré Less.

En 2012, Ford a proposé un partenariat avec l'université, a déclaré Miller, qui supervise la recherche et l'ingénierie de pointe sur les cellules de batterie du constructeur automobile.

À l'époque, Miller a déclaré que Ford disposait du financement en capital pour construire le laboratoire en interne, mais craignait qu'il ne soit difficile dans une installation appartenant à l'entreprise de prendre en charge un écosystème plus large d'acteurs potentiels de la batterie, de producteurs de cellules non Ford, de producteurs de matériaux et autres. . Ford a donc proposé de s'approvisionner et d'acheter tout l'équipement de laboratoire de batterie de l'université si l'école acceptait de financer et de doter l'installation en personnel, a-t-il déclaré. À l'automne 2015, le laboratoire a officiellement ouvert ses portes.

Depuis lors, Miller a déclaré que les entreprises du secteur de l'automobile, des batteries et des matériaux ont trouvé le laboratoire utile. Ford lui-même a mené un certain nombre de constructions de grandes cellules au laboratoire, a-t-il ajouté, de la technologie lithium-ion avancée utilisant de nouveaux matériaux aux expériences qui tentent de remplacer entièrement les chimies lithium-ion.

Aujourd'hui, l'installation bourdonne de chercheurs qui espèrent prouver que leur technologie est évolutive.

"Ce ne sont pas seulement les petites personnes qui essaient de devenir grandes", a déclaré Less. "Ce sont de grandes personnes qui essaient de valider les petites ou les grandes personnes qui disent:" Eh bien, nous nous préparons à lancer le modèle de production de l'année prochaine ou le modèle de production de cinq ans, nous devons commencer à regarder quelle est la prochaine étape pour nos voitures.'"

L'entreprise la plus récente de Ford montre la difficulté d'évoluer rapidement. Le constructeur automobile construit une usine de batteries EV de 3,5 milliards de dollars dans le Michigan en utilisant la technologie chinoise pour mettre rapidement de nouvelles voitures sur le marché. La société chinoise Contemporary Amperex Technology Co. Ltd., le plus grand producteur mondial de batteries au lithium fer phosphate (LFP), fournira la technologie pour que ces batteries soient utilisées dans la prochaine génération de Mustang Mach-E et F-150 Lightning de Ford.

Certains des projets sur lesquels les scientifiques se concentrent incluent le développement de batteries à semi-conducteurs, une technologie très médiatisée qui a été présentée comme plus sûre que les batteries lithium-ion car elle est moins sensible aux changements de température.

Maintenant, Less a dit qu'il entendait l'intérêt des chercheurs qui étudient les piles rechargeables sans trace de lithium.

"Nous ne dictons pas ce que les gens font ici. Les gens nous envoient leur plan de travail et disent : 'Pouvez-vous nous aider ?' C'est oui ou non", a déclaré Less. "Nous sommes prêts à essayer à peu près n'importe quoi tant que cela ne nous blesse pas ou ne blesse pas notre équipement."

Comme une grande partie de l'industrie en plein essor des véhicules électriques, le travail au laboratoire s'est également concentré sur le pivotement à partir de matériaux problématiques, tels que le cobalt utilisé dans les cathodes de batterie qui aide à prolonger la durée de vie des batteries. Environ 70% du cobalt mondial est extrait au Congo, où il existe des modèles documentés de conditions de travail brutales.

Les inquiétudes suscitées par ces conditions ont alimenté des recherches axées sur la modification de la composition des cathodes des batteries lithium-ion qui utilisent du nickel, du manganèse et du cobalt, une formulation connue sous le nom de NMC.

Alors que les chercheurs ont trouvé des moyens d'augmenter la quantité de nickel et de réduire le cobalt, Less a déclaré que cela entraînait un cycle de vie réduit et, en fin de compte, des compromis à prendre en compte.

Et puis il y a les tweets.

En 2021, Elon Musk, le PDG de Tesla, s'est rendu sur Twitter pour révéler que son entreprise se tournait vers les batteries LFP pour les voitures de la gamme standard.

Moins dit que cela a directement conduit à une concentration intense sur les batteries LFP – que la Chine domine dans la fabrication – au laboratoire.

L'accent mis par l'industrie des véhicules électriques sur les batteries LFP s'est accéléré. En plus de Tesla, des entreprises comme Ford ont vanté la technologie comme réduisant la dépendance à l'égard de matériaux coûteux et recherchés comme le cobalt et le nickel. Les batteries LFP sont composées de cathodes lithium fer phosphate et d'électrodes en graphite. Les batteries sont également perçues comme une solution durable pouvant tolérer des recharges fréquentes et plus rapides à moindre coût.

"Nous sommes donc de retour au phosphate de fer", a déclaré Less. "Je dois dire que c'est une excellente idée. Je veux dire, le fer, il est partout. Le phosphate, nous le déversons sur notre herbe, donc c'est un très bon choix. C'est plus sûr, c'est moins cher. C'est une densité de puissance élevée, en regardant le phosphate de fer est un très bon matériau de cathode.

"C'est entièrement à cause d'Elon Musk", a-t-il ajouté. "Je lui en donnerai crédit."