Une once de prévention vaut une livre de guérison – Comment l’EIS est utilisé pour améliorer la santé des batteries dans les VE

Les véhicules électriques (VE) ont gagné beaucoup d’attrait ces dernières années, stimulés par le passage mondial vers l’énergie propre et le transport durable.

Comme ils ne produisent aucune émission d’échappement, les VE sont nettement meilleurs pour l’environnement que leurs homologues à essence et diesel. Cela fait des VE une technologie clé pour décarboner le transport routier, qui représente environ un sixième des émissions mondiales.

Ils ont également des coûts d’exploitation et d’entretien plus faibles que les véhicules à combustion interne, les rendant beaucoup plus efficaces et abordables.

Ainsi, la popularité et l’adoption des VE augmentent de façon significative, près d’une voiture sur cinq vendue en 2023 étant électrique. Après avoir franchi la barre des 10 millions en 2020, le nombre de voitures électriques sur les routes a atteint 40 millions l’année dernière.

En 2023 seulement, les ventes de voitures électriques ont atteint près de 14 millions, dont 95 % en Chine, en Europe et aux États‑Unis. En conséquence de cette expansion, les VE représentent aujourd’hui environ 20 % de toutes les ventes de voitures neuves dans le monde, chiffre qui devrait grimper à 50 % d’ici 2030.

Il n’existe pas un seul type de VE, mais plusieurs sortes :

• Véhicules électriques à batterie (BEV)
• Véhicules hybrides rechargeables (PHEV)
• Véhicules hybrides (HEV)
• Véhicules à pile à combustible (FCEV)

Parmi ceux‑ci, les VE à batterie sont les plus courants, représentant 70 % du parc automobile électrique en 2023.

Les BEV sont entièrement alimentés par l’électricité et peuvent être rechargés à partir de sources externes. Ils sont plus efficaces que les véhicules hybrides et hybrides rechargeables.

Étant donné que les batteries sont la source d’énergie des VE, elles constituent le composant le plus important d’un véhicule électrique. En remplaçant les moteurs à combustion interne, les VE à batterie peuvent réduire considérablement la pollution, aider à intégrer des sources renouvelables comme le vent et le solaire, et garantir la durabilité.

En ce qui concerne les VE, l’état des batteries détermine leurs performances. Et c’est leur capacité, mesurée en kilowattheures, qui indique combien d’électricité la batterie peut stocker et jusqu’où la voiture électrique peut parcourir avec une seule charge.

Plus la densité énergétique de la batterie est élevée, plus l’autonomie par charge est grande. De plus, la recharge rapide est essentielle pour permettre aux propriétaires de VE de recharger leurs véhicules rapidement.

Aujourd’hui, les VE utilisent une variété de batteries, dont le lithium‑ion, qui est le plus répandu. Les batteries au plomb sont un choix populaire, notamment aux États‑Unis, en raison de leur rapport coût‑efficacité et de leur longue durée de vie, tandis que le lithium‑soufre augmente la capacité de charge théorique.

Outre la prise de conscience environnementale croissante et les incitations gouvernementales, les avancées technologiques des batteries, en particulier, qui ont rendu les VE plus efficaces et abordables, stimulent l’adoption des véhicules électriques.

Ainsi, les batteries jouent un rôle crucial dans les VE et la transition énergétique plus large, ce qui rend essentiel de mieux connaître leur état et leurs performances. À cet effet, des chercheurs ont développé une nouvelle technologie qui surveille l’état des batteries avec une grande précision afin d’optimiser leur efficacité et leur stabilité à long terme.

Technologie pour le diagnostic précis des batteries de VE

Des chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ont créé cette nouvelle technologie pour diagnostiquer avec précision l’état des batteries de VE, indispensable à leur gestion efficace et à leur utilisation sûre, en n’utilisant que de faibles courants.

Ce développement a été annoncé la semaine dernière par le KAIST, qui a indiqué qu’une équipe de chercheurs dirigée par les professeurs Sang‑Gug Lee et Kyeongha Kwon de l’École d’ingénierie électrique avait mis au point la technologie de spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS).

Cette technologie EIS peut être utilisée pour améliorer la performance et la stabilité des batteries haute capacité dans les véhicules électriques.

La spectroscopie d’impédance électrochimique est un outil puissant qui mesure la magnitude de l’impédance et ses variations dans une batterie, ce qui permet d’évaluer l’efficacité et les pertes de la batterie.

L’impédance de la batterie est simplement une mesure de la résistance au flux de courant à l’intérieur de la batterie. Cette méthode non intrusive de prévention des pannes de batterie identifie simplement les premiers signes de faiblesse ou de détérioration et examine sa performance et son état.

Outil important pour évaluer l’état de charge et la santé de la batterie, il peut également analyser les changements chimiques ou physiques, décrire les caractéristiques thermiques, identifier les causes des pannes et prévoir la durée de vie de la batterie.

Cependant, les équipements EIS conventionnels sont non seulement coûteux mais aussi complexes, ce qui rend leur installation, leur exploitation et leur maintenance difficiles.

Il y a également la question des limites de précision et de sensibilité, ce qui signifie que lorsqu’on applique des perturbations de courant de plusieurs ampères à une batterie, cela peut entraîner un stress électrique important. Cela augmente à son tour le risque d’incendie ou de défaillance de la batterie, rendant son utilisation difficile en pratique.

Ainsi, pour résoudre tous ces problèmes, l’équipe d’ingénierie du KAIST a créé un système EIS à faible courant afin de diagnostiquer l’état et la santé des batteries de VE très efficaces.

Ce nouveau système peut mesurer l’impédance de la batterie avec précision grâce à de faibles perturbations de courant, c’est‑à‑dire 10 mA. Au cours du processus de mesure, la nouvelle technologie EIS minimise les effets thermiques et les problèmes de sécurité.

Un autre avantage de ce système est qu’il réduit le besoin de composants encombrants et coûteux. Il peut donc être facilement intégré aux véhicules.

Le nouveau système EIS a réellement démontré son succès dans la détermination des propriétés électrochimiques des batteries de VE sous différentes conditions de fonctionnement. Cela inclut diverses températures et niveaux d’état de charge (SOC).

L’intégration facile du système dans le système de gestion de batterie (BMS) des VE, ainsi que sa grande précision de mesure et la réduction de la complexité et du coût par rapport aux méthodes EIS à courant élevé conventionnelles, le rendent réellement bénéfique pour les VE.

Selon le professeur correspondant Kyeongha Kwon, le système peut également contribuer au diagnostic des batteries et à l’amélioration des performances des systèmes de stockage d’énergie (ESS).

Autres développements concernant l’état et la sécurité des batteries de VE

Compte tenu de l’importance des batteries, les chercheurs travaillent sur différentes méthodes pour mieux connaître leur état. Après tout, la capacité des batteries de VE diminue d’environ 10 % après environ 6,5 ans d’utilisation continue. Le sur‑chargement et la sur‑décharge contribuent également à cette diminution.

L’année dernière, une équipe de chercheurs en ingénierie du Michigan a créé une formule pour diagnostiquer et surveiller une batterie sans la démonter. La formule, qui peut également être appliquée à d’autres dispositifs photoniques et électroniques, fonctionne pour toute combinaison de matériaux de batterie.

Une méthode que les chercheurs utilisent pour étudier les batteries consiste à appliquer un courant alternatif faible, similaire à celui provenant d’une prise murale mais beaucoup plus faible, afin de sonder la batterie. Dans ce processus, l’impédance varie en fonction de la fréquence du courant alternatif ou de la rapidité avec laquelle il change de direction.

Une mesure clé est la façon dont l’impédance varie avec la fréquence, obtenue en balayant la fréquence du bas vers le haut. Pour ce faire, il faut établir une relation entre les matériaux de la batterie et leur signature. L’équipe, cependant, a élaboré sa propre formule pour décrire cette relation. Une fois l’impédance mesurée à quelques fréquences, la formule peut prédire l’impédance en fonction de la fréquence sur une large gamme.

Selon l’équipe, la formule sert à présenter l’impédance des matériaux en n’utilisant que quelques points de données expérimentaux. Elle simplifie l’ensemble du processus de modélisation du flux d’électricité à travers des dispositifs fabriqués avec divers matériaux et ne nécessite pas de connaître à l’avance la microstructure du matériau.

Elle peut également aider à concevoir de meilleurs électrolytes solides, à identifier les caractéristiques d’impédance d’autres composants des batteries et à créer des modèles de batterie précis pour offrir un contrôle plus sûr et plus efficace lors de la charge et de la décharge.

À ce moment‑là, l’équipe a indiqué qu’elle prévoyait d’utiliser la formule pour comprendre puis concevoir des électrolytes à l’état solide à matériaux mixtes, capables d’offrir une capacité supérieure et une meilleure sécurité.

Les avancées dans la conception de batteries structurales, les matériaux et les systèmes de surveillance se poursuivent, ce qui a renforcé les mesures de sécurité pour prévenir les courts‑circuits internes et les phénomènes de surchauffe. À cet effet, les chercheurs se concentrent de plus en plus sur le rôle des anodes à base de silicium, en particulier la distribution des particules de SiO au sein de la couche d’anode, afin d’atteindre une densité énergétique plus élevée tout en maîtrisant les effets indésirables pendant le cycle, améliorant ainsi la sécurité et la longévité.

En ce qui concerne la conception et l’assemblage des batteries, les adhésifs émergent également comme composant essentiel, offrant des avantages tels qu’une performance améliorée grâce à l’optimisation de l’interface thermique entre les cellules de batterie et les systèmes de refroidissement, une plus grande flexibilité de conception en liant divers matériaux, une meilleure gestion de l’énergie pour la sécurité, et des économies de coûts grâce à la rationalisation des processus de fabrication.

Les chercheurs et les entreprises exploitent également l’IA pour la découverte de matériaux de batterie et la fabrication. Bien que la technologie des batteries de VE ait considérablement progressé ces dernières années, plusieurs problèmes subsistent en termes de matériaux, de conception, d’autonomie et de systèmes de gestion de batterie.

Le système de gestion de batterie (BMS) d’un VE vise à garantir l’efficacité, la sécurité et la longévité en optimisant la performance de la batterie. Les estimations traditionnelles de la santé et de la charge de la batterie pour prévoir la dégradation future n’étaient pas précises, ce qui a conduit à des algorithmes d’apprentissage automatique pour le BMS qui analysent les données en temps réel afin d’estimer avec précision l’état de santé (SOH) et l’état de charge (SOC) de la batterie. Le BMS utilise ensuite ces estimations pour optimiser la performance de la batterie.

Le marché mondial de la formation et des tests des batteries de VE est en réalité en forte croissance, il était évalué à 1,9 milliard de dollars en 2023. Ce marché devrait croître à un TCAC de plus de 17,6 % au cours des huit prochaines années pour atteindre 7,8 milliards de dollars d’ici 2032.

Cette croissance est stimulée par l’adoption croissante des VE et la production de batteries qui en découle, les avancées technologiques en chimie des batteries, les exigences de sécurité et de fiabilité des batteries, ainsi que l’accent croissant mis sur la durabilité et la réduction des émissions de carbone.

Il y a quelques mois, le Département de l’Énergie des États‑Unis (DOE) a également annoncé un financement de 43 millions de dollars pour des projets qui feront progresser la recherche, le développement et le déploiement dans les domaines critiques des batteries. L’objectif de l’initiative est de stimuler les innovations dans la fabrication de batteries de VE à faible coût, de réduire les défaillances, d’améliorer la sécurité des batteries et de renforcer la chaîne d’approvisionnement nationale en matériaux de batterie.

Cela s’inscrit dans le cadre du plan national américain pour la décarbonisation des transports, visant à éliminer toutes les émissions du secteur des transports d’ici 2050 en faisant progresser les technologies de batteries pour alimenter des VE sûrs et efficaces à zéro émission.

Entreprises contribuant à l’avancement de la gestion des batteries de VE

Examinons maintenant les entreprises qui travaillent à l’intersection de la technologie de santé des batteries de VE, des systèmes BMS et des avancées EIS, toutes cruciales pour soutenir le marché des VE et optimiser la durée de vie et la sécurité des batteries.

Le Tesla d’Elon Musk (TSLA ) figure parmi les plus en vue, et il investit fortement dans des batteries haute capacité et longue durée pour les VE. Avec une hausse de 4,83 % des actions Tesla cette année, sa capitalisation boursière s’élève actuellement à 830,7 milliards de dollars.

Il y a ensuite la QuantumScape Corporation (QS ) d’une capitalisation de 3,24 milliards de dollars, qui développe des batteries lithium‑métal à l’état solide pour les VE, tandis que la Enovix Corporation (ENVX ) d’une capitalisation de 1,9 milliard de dollars développe des batteries lithium‑ion à anode en silicium avancées. La Albemarle Corporation (ALB ) d’une capitalisation de 11,18 milliards de dollars est un producteur de lithium de premier plan et participe à l’amélioration de l’efficacité et de la sécurité des batteries. Les actions de QS, ALB et ALB ont respectivement baissé de 6,47 %, 34,14 % et 13,14 % cette année.

Analog Devices (ADI ) est une entreprise de 114 milliards de dollars dont les actions ont augmenté de 15,67 % depuis le début de l’année. Par ailleurs, elle fournit des solutions de système de gestion de batterie (BMS) pour les batteries de VE.

Examinons maintenant plus en détail une autre entreprise liée qui a bien performé cette année.

General Motors Company (GM )

Le géant automobile, dont la capitalisation boursière s’élève à 59,2 milliards de dollars, voit ses actions connaître une belle hausse cette année. Avec un peu plus de deux mois restants en 2024, le cours de GM a bondi de 46,77 % pour s’établir à 52,9 $. Il affiche un BPA (TTM) de 9,37 et un ratio P/E (TTM) de 5,63, ainsi qu’un rendement du dividende de 0,91 %.

General Motors conçoit, fabrique et vend des voitures, camions et pièces automobiles, en plus de fournir des services activés par logiciel. Elle est également à la pointe des avancées en technologie de batterie, sécurité et performance pour sa flotte de VE grâce à la plateforme Ultium.

Ultium a été présentée pour la première fois en 2020, et sa PDG, Mary Barra, l’a qualifiée:

« Une stratégie de VE multi‑marques, multi‑segments avec des économies d’échelle qui rivalisent avec notre activité de camions pleine taille, avec beaucoup moins de complexité et encore plus de flexibilité. »

Lors d’une réunion récente, Barra a annoncé que la marque de batterie Ultium allait disparaître, mais a affirmé que les ventes de VE s’amélioreraient. La gamme de VE de GM comprend la Chevy Equinox et la Blazer, le GMC Hummer EV, le Cadillac Lyriq et le Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, vice‑président des cellules de batterie chez GM, a toutefois reconnu l’importance d’Ultium pour aider à lancer la large gamme de nouveaux modèles de VE, notant:

« (La société) passe d’une solution « taille unique » à des batteries spécifiques à chaque nouveau programme. »

GM envisage désormais plusieurs chimies de batteries afin de mieux répondre aux exigences de performance.

L’entreprise automobile prévoit également de construire un centre de prototypage de batteries dans le Michigan, qui ouvrira en 2027, ce qui pourrait réduire le temps de développement des batteries jusqu’à un an.

Cette semaine, GM a publié ses résultats financiers du troisième trimestre 2024, révélant que son chiffre d’affaires pour le trimestre était de 49 milliards de dollars, en hausse de 10 % en glissement annuel, tandis que le flux de trésorerie libre automobile ajusté s’élevait à 5,8 milliards de dollars, soit une augmentation de 900 millions de dollars par rapport à l’année précédente. Au cours de cette période, GM a racheté pour 1 milliard de dollars d’actions.

L’entreprise a vu sa part de marché au détail aux États‑Unis croître au troisième trimestre, tandis que l’environnement opérationnel en Chine restait difficile. Ses coûts de garantie ont également augmenté en raison des pressions inflationnistes.

En ce qui concerne les VE, l’entreprise est en bonne voie pour produire 200 000 VE en Amérique du Nord cette année. Bien qu’elle progresse, l’activité VE de GM travaille encore à atteindre la rentabilité et prévoit une amélioration de 2 à 4 milliards de dollars des pertes liées aux VE.

Conclusion

Alors que les transitions vers l’énergie propre s’accélèrent fortement, soutenues par les politiques gouvernementales, les incitations et les stratégies industrielles, le monde s’est tourné vers les véhicules électriques. La croissance rapide des VE souligne le rôle essentiel des batteries et, de ce fait, exige une grande efficacité et sécurité. Des technologies telles que la spectroscopie d’impédance électrochimique et les systèmes de gestion de batterie innovants peuvent aider à affiner la façon dont nous surveillons la santé des batteries de VE et contribuer à une utilisation des VE plus sûre et durable.

À mesure que davantage d’études, d’entreprises et de gouvernements se concentrent sur l’amélioration du diagnostic des batteries de VE, nous verrons des batteries plus durables, des conceptions plus sûres et un stockage d’énergie efficace, tous essentiels pour que les VE atteignent une adoption généralisée. Ces innovations peuvent également aider à atteindre les ambitieux objectifs climatiques mondiaux, conduisant à un avenir plus propre et plus durable.

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