La conception d’Oxis Energy promet une densité d’énergie, une fabricabilité et une sécurité exceptionnelles

Les avions électriques font fureur, avec des prototypes en développement dans toutes les tailles, des drones de livraison aux avions de passagers. Mais la technologie n’a pas encore décollé, et pour une raison: le manque de batterie appropriée.

Pour qu’un gros avion de passagers décolle, navigue et atterrit à des centaines de kilomètres, il faudrait des batteries qui pèsent des milliers de kilogrammes — beaucoup trop lourdes pour que l’avion puisse s’envoler en premier lieu. Même pour les avions relativement petits, tels que les entraîneurs biplace, le poids des batteries limite la charge utile de l’avion, réduit sa portée et limite ainsi l’endroit où l’avion peut voler. Réduire le poids des batteries serait un avantage non seulement pour l’aviation, mais pour d’autres véhicules électriques, tels que les voitures, les camions, les bus et les bateaux, dont les performances sont également directement liées au rapport énergie / poids de leurs batteries.

Pour de telles applications, la batterie de choix d’aujourd’hui est le lithium-ion. Il a atteint sa maturité il y a des années, chaque nouvelle amélioration progressive étant plus petite que la précédente. Nous avons besoin d’une nouvelle chimie.

Depuis 2004, mon entreprise, Oxis Energy, dans l’Oxfordshire, en Angleterre, travaille sur l’un des principaux concurrents: le soufre au lithium. Notre technologie de batterie est extrêmement légère: Nos modèles les plus récents atteignent plus de deux fois la densité d’énergie typique des batteries lithium-ion. Le soufre de lithium est également capable de fournir les niveaux de puissance et de durabilité requis pour l’aviation et, plus important encore, il est suffisamment sûr. Après tout, un avion ne peut pas gérer un incendie soudain ou une autre calamité en tirant simplement sur le bord de la route.

La nouvelle technologie a été longue à venir, mais l’attente est maintenant terminée. La première série d’essais en vol est déjà terminée.

Fondamentalement, une cellule lithium-soufre est composée de quatre composants:

• L’électrode positive, appelée cathode, absorbe les électrons lors de la décharge. Il est relié à un collecteur de courant en feuille d’aluminium recouvert d’un mélange de carbone et de soufre. Le soufre est la matière active qui participe aux réactions électrochimiques. Mais c’est un isolant électrique, donc le carbone, un conducteur, délivre des électrons là où ils sont nécessaires. Une petite quantité de liant est également ajoutée pour assurer le maintien du carbone et du soufre dans la cathode.
• L’électrode négative, ou anode, libère des électrons lors de la décharge. Il est connecté à une feuille de lithium pure. Le lithium, lui aussi, agit comme un collecteur de courant, mais c’est aussi un matériau actif, participant à la réaction électrochimique.
• Un séparateur poreux empêche les deux électrodes de se toucher et de provoquer un court-circuit. Le séparateur est baigné dans un électrolyte contenant des sels de lithium.
• Un électrolyte facilite la réaction électrochimique en permettant le mouvement des ions entre les deux électrodes.

Ces composants sont connectés et emballés sous forme de cellule en poche. Les cellules sont à leur tour connectées ensemble — à la fois en série et en parallèle — et emballées dans une batterie de 20 ampères-heures et 2,15 volts. Pour un gros véhicule tel qu’un avion, des dizaines de packs sont connectés pour créer une batterie capable de fournir des dizaines ou des centaines d’ampères-heures à plusieurs centaines de volts.

Les batteries lithium-soufre sont inhabituelles car elles passent par plusieurs étapes lorsqu’elles se déchargent, formant à chaque fois une espèce moléculaire différente et distincte de lithium et de soufre. Lorsqu’une cellule se décharge, les ions lithium dans l’électrolyte migrent vers la cathode, où ils se combinent avec le soufre et les électrons pour former un polysulfure, Li2S8. À l’anode, pendant ce temps, les molécules de lithium abandonnent des électrons pour former des ions lithium chargés positivement; ces électrons libérés se déplacent ensuite dans le circuit externe — la charge — qui les ramène à la cathode. Dans l’électrolyte, le Li2S8 nouvellement produit réagit immédiatement avec plus d’ions lithium et plus d’électrons pour former un nouveau polysulfure, le Li2S6. Le processus se poursuit, passant par d’autres polysulfures, Li2S4 et Li2S2, pour finalement devenir Li2S. À chaque étape, plus d’énergie est cédée et transmise à la charge jusqu’à ce que la cellule soit enfin épuisée.

La recharge inverse la séquence: Un courant appliqué force les électrons à circuler dans la direction opposée, provoquant l’abandon des électrons par l’électrode de soufre, ou cathode, convertissant Li2S en Li2S2. Le polysulfure continue d’ajouter des atomes de soufre étape par étape jusqu’à ce que Li2S8 soit créé dans la cathode. Et chaque fois que des électrons sont abandonnés, des ions lithium sont produits qui diffusent ensuite à travers l’électrolyte, se combinant avec des électrons à l’électrode de lithium pour former du lithium métal. Lorsque tous les LI2 ont été convertis en Li2S8, la cellule est complètement chargée.

Cette description est simplifiée. En réalité, les réactions sont plus complexes et nombreuses, se produisant également dans l’électrolyte et à l’anode. En fait, sur de nombreux cycles de charge et de décharge, ce sont ces réactions secondaires qui provoquent la dégradation dans une cellule lithium-soufre. La réduction de ceux-ci, grâce à la sélection des matériaux appropriés et à la configuration de la cellule, est le défi fondamental et sous-jacent qui doit être relevé pour produire une cellule efficace avec une longue durée de vie.

Avec les cellules lithium-soufre, la dégradation de l’anode lithium-métal pose également problème. Cependant, cela se produit via un mécanisme très différent, qui n’implique pas la formation de dendrites. Dans les cellules lithium-soufre, des densités de courant inégales à la surface de l’anode provoquent un plaquage et un dénudage inégaux du lithium lorsque la batterie est chargée et déchargée. Au fil du temps, ce placage et ce décapage inégaux provoquent des dépôts mousseux sur l’anode qui réagissent avec le sulfure et les polysulfures dans l’électrolyte. Ces dépôts en forme de mousse se déconnectent électriquement de l’anode en vrac, laissant moins de surface d’anode disponible pour la réaction chimique. Finalement, au fur et à mesure que cette dégradation progresse, l’anode ne fonctionne pas, empêchant la cellule d’accepter la charge.

Développer des solutions à ce problème de dégradation est crucial pour produire une cellule capable de fonctionner à un niveau élevé sur de nombreux cycles de charge-décharge. Une stratégie prometteuse que nous poursuivons chez Oxis consiste à enduire l’anode lithium-métal de fines couches de matériaux céramiques pour éviter toute dégradation. Ces matériaux céramiques doivent avoir une conductivité ionique élevée et être isolants électriquement, ainsi que robustes mécaniquement et chimiquement. Les couches céramiques permettent aux ions lithium de passer sans entrave et d’être incorporés dans le métal de lithium en vrac en dessous.

Nous effectuons ce travail sur la couche de protection de l’anode en partenariat avec Pulsedeon et Leitat, et nous sommes optimistes que cela augmentera considérablement le nombre de fois qu’une cellule peut être déchargée et chargée. Et ce n’est pas notre seul partenariat. Nous travaillons également avec Arkema pour améliorer la cathode afin d’augmenter la puissance et la densité d’énergie de la batterie.

En effet, le principal avantage des batteries lithium-ion par rapport à leurs prédécesseurs — et du lithium—soufre par rapport au lithium-ion – est la grande quantité d’énergie que les cellules peuvent emballer dans une petite quantité de masse. La batterie de démarrage au plomb qui lance le moteur à combustion interne d’une voiture peut stocker environ 50 watts-heures par kilogramme. Les conceptions lithium-ion typiques peuvent contenir de 100 à 265 Wh / kg, en fonction des autres caractéristiques de performance pour lesquelles il a été optimisé, telles que la puissance de crête ou la longue durée de vie. Oxis a récemment développé un prototype de cellule à poche lithium-soufre qui s’est avéré capable de 470 Wh / kg, et nous prévoyons d’atteindre 500 Wh / kg d’ici un an. Et parce que la technologie est encore nouvelle et qu’elle peut être améliorée, il n’est pas déraisonnable d’anticiper 600 Wh/kg d’ici 2025.

Lorsque les fabricants de cellules citent des chiffres de densité d’énergie, ils spécifient généralement l’énergie disponible lorsque la cellule est déchargée à des débits de puissance faibles et constants. Dans certaines applications, de tels taux bas conviennent, mais pour les nombreux avions électriques envisagés qui décolleront verticalement, l’énergie doit être fournie à des taux de puissance plus élevés. Une telle caractéristique de haute puissance doit être échangée contre une capacité totale de stockage d’énergie inférieure.

De plus, le niveau de densité d’énergie réalisable dans une seule cellule peut être considérablement supérieur à ce qui est possible dans une batterie composée de plusieurs de ces cellules. La densité d’énergie ne se traduit pas directement de la cellule à la batterie car les cellules nécessitent un emballage — le boîtier, le système de gestion de la batterie, les connexions et peut-être les systèmes de refroidissement. Le poids doit être contrôlé, et pour cette raison, notre entreprise utilise des matériaux composites avancés pour développer des boîtiers légers, solides et antidéflagrants.

Pour optimiser les performances de la batterie sans compromettre la sécurité, nous comptons avant tout sur un système de gestion de la batterie (BMS), qui est une combinaison de logiciels et de matériel qui contrôle et protège la batterie. Il comprend également des algorithmes pour mesurer l’énergie restante dans une batterie et d’autres pour minimiser l’énergie gaspillée pendant la charge.

Comme les cellules lithium-ion, les cellules lithium-soufre varient légèrement les unes des autres. Ces différences, ainsi que les différences dans la position des cellules dans le bloc-batterie, peuvent entraîner un fonctionnement constant de certaines cellules plus chaudes que d’autres. Au fil du temps, ces températures élevées dégradent lentement les performances, il est donc important de minimiser les différences de puissance d’une cellule à l’autre. Ceci est généralement réalisé à l’aide d’une solution d’équilibrage simple, dans laquelle plusieurs résistances sont connectées en parallèle avec une cellule, le tout contrôlé par un logiciel dans le BMS.

Même lorsque les taux de charge et de décharge sont maintenus dans des limites de sécurité, toute batterie peut toujours générer une chaleur excessive. Ainsi, en règle générale, un système de gestion thermique dédié est nécessaire. Une voiture électrique peut utiliser le refroidissement liquide, mais dans l’aviation, le refroidissement par air est de beaucoup préféré car il ajoute moins de poids. Bien sûr, la batterie peut être placée à un point où l’air se déplace naturellement à travers la surface de l’avion — peut-être l’aile. Si nécessaire, l’air peut être acheminé vers la batterie par des conduits. Chez Oxis, nous utilisons la modélisation informatique pour optimiser ce refroidissement. Par exemple, lorsque nous avons introduit cette technique dans un projet pour un petit avion à voilure fixe, cela nous a permis de concevoir un système de gestion thermique efficace, sans lequel la batterie atteindrait ses limites de température avant d’être complètement déchargée.

Comme indiqué ci-dessus, un bloc-batterie est généralement disposé avec les cellules à la fois en parallèle et en série. Cependant, il y a plus à la disposition des cellules. Bien sûr, la batterie est un composant essentiel à la mission d’un avion électrique, vous aurez donc besoin de redondance, pour une sécurité accrue. Vous pouvez, par exemple, concevoir la batterie en deux parties égales, de sorte que si une moitié tombe en panne, elle puisse être déconnectée, laissant à l’avion au moins suffisamment d’énergie pour gérer une descente et un atterrissage contrôlés.

Un autre composant logiciel du BMS est l’algorithme d’état de charge. Imaginez avoir à conduire une voiture dont la jauge de carburant présentait une erreur de mesure équivalente à 25% de la capacité du réservoir. Vous ne laisseriez jamais l’indicateur tomber à 25%, juste pour vous assurer que la voiture ne s’arrêterait pas. Votre autonomie pratique ne représenterait que les trois quarts de l’autonomie réelle de la voiture. Pour éviter un tel gaspillage, Oxis a mis l’accent sur le développement d’algorithmes à l’état de charge.

Dans une batterie lithium-ion, vous pouvez estimer la charge en mesurant simplement la tension, qui diminue au fur et à mesure du niveau d’énergie. Mais ce n’est pas si simple pour une batterie lithium-soufre. Rappelons que dans la batterie lithium-soufre, différents polysulfures figurent dans le processus électrochimique à différents moments de la charge et de la décharge. Le résultat est que la tension n’est pas un bon indicateur de l’état de charge et, pour compliquer encore les choses, la courbe de tension est asymétrique pour la charge et pour la décharge. Les algorithmes nécessaires pour suivre l’état de charge sont donc beaucoup plus sophistiqués. Nous avons développé la nôtre avec l’Université de Cranfield, en Angleterre, en utilisant des techniques statistiques, parmi lesquelles le filtre de Kalman, ainsi que des réseaux de neurones. Nous pouvons estimer l’état de charge avec une précision de quelques pour cent, et nous travaillons à faire mieux encore.

Tous ces choix de conception impliquent des compromis, qui sont différents selon les avions. Nous varions la façon dont nous gérons ces compromis afin d’adapter nos conceptions de batteries à trois types d’avions distincts.

• Les pseudo-satellites à haute altitude (HAPS) sont des aéronefs qui volent à environ 15 000 à 20 000 mètres. L’espoir est de pouvoir voler pendant des mois à la fois; le record actuel est de 26 jours, établi en 2018 par l’Airbus Zephyr S. Le jour, ces avions utilisent des panneaux solaires pour alimenter les moteurs et charger les batteries; la nuit, ils volent sur batterie. Parce que la période de charge et de décharge de 24 heures ne demande qu’un peu d’énergie, vous pouvez concevoir une batterie légère et ainsi permettre une charge utile importante. La légèreté permet également à un tel avion de voler plus facilement loin de l’équateur, où la nuit dure plus longtemps.
• Les avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL) sont en cours de développement en tant que taxis volants. Lilium, en Allemagne, et Uber Elevate, entre autres, ont déjà de tels projets en cours. Encore une fois, le poids est essentiel, mais ici, les batteries doivent non seulement être légères, mais aussi puissantes. Oxis a donc développé deux versions de sa chimie cellulaire. La version haute énergie est optimisée dans de nombreux aspects de la conception de la cellule pour minimiser le poids, mais elle est limitée à une puissance relativement faible; elle est mieux adaptée aux applications HAPS. La version haute puissance pèse plus, bien que nettement moins qu’une batterie lithium-ion de performances comparables; elle est bien adaptée à des applications telles que eVTOL.
• Avions légers à voilure fixe : La demande croissante de pilotes se heurte au coût élevé de leur formation; un avion d’entraînement tout électrique réduirait considérablement les coûts d’exploitation. Un facteur clé est la durée de vol plus longue, qui est activée par la batterie plus légère. Bye Aerospace, dans le Colorado, est une entreprise qui ouvre la voie à de tels avions. En outre, d’autres entreprises — telles qu’easyJet, en partenariat avec Wright Electric — prévoient des avions de passagers commerciaux entièrement électriques pour des vols court-courriers de 2 heures.