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

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 maker » pour les batteries ont été inspirés par 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 du monde universitaire et des grands constructeurs automobiles comme Ford Motor Co. et Mercedes-Benz d’utiliser des équipements de pointe pour tester des technologies de batteries expérimentales et complexes avant de les présenter à une production à grande échelle.

Le petit laboratoire est l’un des rares centres qui permet à presque tous les scientifiques ou ingénieurs en batteries de tester les dernières technologies, ce qui lui donne un rôle démesuré dans la course technologique autour des batteries avancées pour véhicules électriques qui pourraient déterminer si les États-Unis atteignent les objectifs climatiques agressifs de l’administration Biden et facilitent l’emprise de la Chine sur les chaînes d’approvisionnement.

« Si vous remplacez 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 de véhicules électriques 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 véhicules électriques, bien qu’elle contienne des exigences strictes pour l’approvisionnement en minéraux et en pièces de batterie.

Alors que la plupart des véhicules électriques d’aujourd’hui sont alimentés par des batteries lithium-ion – une technologie vieille de plusieurs décennies également utilisée dans les ordinateurs portables et les téléphones cellulaires – les chercheurs liés au milieu universitaire et aux constructeurs automobiles cherchent 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 respectueux de l’environnement et socialement qu’ils peuvent trouver.

L’emplacement du laboratoire de l’Université du Michigan n’est pas une erreur. Outre la start-up de la côte ouest Tesla Inc. et l’écosystème que la société a créé, Less affirme que de nombreuses entreprises automobiles sont présentes dans le sud-est du Michigan, telles que les constructeurs automobiles basés à Detroit comme Ford et General Motors Co. et les constructeurs automobiles étrangers comme Mercedes-Benz et Hyundai Motor Co.

Niché le long d’une rue calme 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 archivant 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 traités qui finiront par entrer dans les batteries de test des véhicules électriques. Une « pièce sèche » à proximité est utilisée pour assembler les cellules de batterie lithium-ion. D’autres machines mesurent la façon dont les prototypes maintiennent 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 batteries est inactif. Less explique que les chercheurs perforent ou mettent le feu aux batteries pour voir comment elles réagissent.

Ted Miller, qui dirige la recherche et l’ingénierie avancée de Ford sur les cellules de batterie, 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 de cellules électriques de prochaine génération de Ford, ainsi que les plans de la société pour se développer à Ford Ion Park, son propre site de recherche et développement.

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

Mais M. 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 les chimies et les technologies des batteries évoluent plus rapidement.

Il s’agit d’une demande croissante dont le gouvernement fédéral est très conscient et qu’il s’efforce de combler. Un consortium public-privé dirigé par le ministère 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 du pays.

« Ces installations sont extrêmement importantes pour le pays, et nous avons besoin d’un réseau d’entre elles », a déclaré Venkat Srinivasan, directeur du Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science. « Ces types de laboratoires sont le moyen de réduire les risques liés aux innovations afin que vous puissiez prouver à vous-même et à tout le monde que vous avez quelque chose de convaincant. »

Miller est d’accord: « Étonnamment, il reste vrai que le [laboratoire] n’est que maintenant dupliqué par d’autres à mesure 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 de véhicules électriques 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 recharger et de s’alimenter rapidement. Mais ils ont également un œil sur d’autres préoccupations, telles que la tentative d’exclure les matières premières des pays ayant des problèmes de droits de l’homme – une étape qui peut nécessiter une révision totale des composants de la batterie afin d’éliminer un minéral spécifique.

Alors que Less se déplaçait dans le labyrinthe de pièces remplies d’équipement du laboratoire lors d’une récente visite, il a expliqué que la chimie change également à mesure qu’une batterie grossit. La plupart des constructeurs automobiles ne sont pas intéressés à voir des 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, a-t-il déclaré.

« Les gens allaient voir Ford et disaient: » Hé, regardez nos données cool « , 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 ne nous est pas utile, alors passez à l’échelle supérieure et revenez quand vous serez prêt pour les heures de grande écoute », a-t-il déclaré.

Mais pour les personnes qui essaient 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 sur les cellules de batterie et l’ingénierie avancée du constructeur automobile.

À l’époque, Miller a déclaré que Ford disposait des fonds nécessaires pour construire le laboratoire en interne, mais qu’il craignait qu’il ne soit difficile, dans une installation appartenant à l’entreprise, de soutenir un écosystème plus large d’acteurs potentiels de batteries, de producteurs de cellules non Ford, de producteurs de matériaux et autres. Ford a donc proposé de se procurer et d’acheter tout l’équipement de laboratoire de batteries de l’université si l’école acceptait de financer et de doter en personnel l’installation, 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 grandes constructions de 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 plus tard, nous devons commencer à regarder ce qui attend nos voitures. »

L’entreprise la plus récente de Ford montre la difficulté de passer rapidement à l’échelle. Le constructeur automobile construit une usine de batteries de véhicules électriques 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 lithium fer phosphate (LFP), fournira la technologie permettant à ces batteries d’être utilisées dans la prochaine génération de Mustang Mach-E et F-150 Lightning de Ford.

Certains des projets sur lesquels les scientifiques se concentrent comprennent 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 examinent 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 nous disent : « Pouvez-vous nous aider? » C’est un oui ou un non », a déclaré Less. « Nous sommes prêts à essayer à peu près n’importe quoi tant que cela ne nous blesse pas, ni à notre équipement. »

Comme une grande partie de l’industrie florissante des véhicules électriques, les travaux du laboratoire se sont également concentrés 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 préoccupations concernant ces conditions ont alimenté la recherche axée sur la modification de la composition des cathodes de batteries lithium-ion utilisant 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 diminuer le cobalt, Less a déclaré que cela a conduit à moins de cycle de vie et, en fin de compte, à des compromis qui doivent être pris en compte.

Et puis il y a les tweets.

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

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

L’industrie des véhicules électriques s’est concentrée sur les batteries LFP s’est accélérée. En plus de Tesla, des entreprises comme Ford ont vanté la technologie comme réduisant la dépendance à des matériaux coûteux et recherchés comme le cobalt et le nickel. Les batteries LFP sont composées de cathodes de phosphate de fer lithium et d’électrodes en graphite. Les batteries sont également considérées comme une solution durable qui peut tolérer une charge fréquente et plus rapide 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 gazon, c’est donc 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 vais lui donner crédit pour cela. »