Les phases de fonctionnement d'un eVTOL nécessitent différentes quantités d'énergie ; certains exigent que la batterie décharge rapidement de grandes quantités de courant, réduisant ainsi la distance que le véhicule peut parcourir avant que sa batterie doive être rechargée. Crédit : Andy Sproles/ORNL, Département américain de l'énergie
L'analyse des batteries eVTOL révèle des exigences de fonctionnement uniques.
Les chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie font progresser le transport propre en développant et en testant de nouvelles technologies de batteries pour les véhicules électriques capables de décoller et d'atterrir verticalement.
Ces avions, communément appelés eVTOL, vont des drones de livraison aux taxis aériens urbains. Ils sont conçus pour s’élever dans les airs comme un hélicoptère et voler en utilisant des portances portées par les ailes comme un avion. Par rapport aux hélicoptères, les eVTOL utilisent généralement davantage de rotors tournant à une vitesse inférieure, ce qui les rend à la fois plus sûrs et plus silencieux.
Les véhicules électriques aéroportés ne sont pas seulement des voitures volantes, et les chercheurs de l'ORNL concluent que les batteries eVTOL ne peuvent pas simplement être adaptées à partir des batteries de voitures électriques. Jusqu’à présent, cela a été l’approche dominante de la technologie, qui en est principalement au stade de la modélisation. Les chercheurs de l’ORNL ont adopté une approche différente en évaluant le comportement des batteries lithium-ion face à des consommations d’énergie extrêmement élevées.
« Le programme eVTOL présente une opportunité unique de créer un tout nouveau type de batterie avec des exigences et des capacités très différentes de celles que nous avons vues auparavant », a déclaré Ilias Belharouak, membre d'entreprise de l'ORNL qui dirige la recherche.
Les chercheurs développent de nouveaux matériaux à forte densité énergétique, apprennent comment ces matériaux se dégradent dans des conditions extrêmes et développent des systèmes de contrôle de batterie. « Cela nous oblige à répondre à des questions sur l'interaction entre la sécurité de la batterie, sa durée de vie et sa stabilité à des températures élevées, tout en équilibrant le besoin de courtes rafales de puissance élevée avec les réserves d'énergie pour les vols à plus longue distance », a déclaré Belharouak.
Recherche avancée sur les performances et la sécurité des batteries
Le premier point majeur à retenir d'un vaste projet de recherche eVTOL en cours à l'ORNL est que les exigences de puissance et de performances des batteries eVTOL peuvent réduire considérablement leur longévité et leur durabilité.
Contrairement aux batteries des véhicules électriques, qui se déchargent généralement à un rythme constant, les batteries eVTOL ont besoin de quantités variables d'énergie pour les étapes de vol telles que la montée, le vol stationnaire et la descente, certaines phases nécessitant des rafales de puissance élevées.
« Maintenant que nous en savons plus sur ce qui est requis de la batterie eVTOL, nous devrons concevoir les systèmes différemment pour y parvenir », a déclaré Marm Dixit, chercheuse principale de l'ORNL. « Notre objectif est fondamental : qu'arrive-t-il aux matériaux sous ces charges et conditions de fonctionnement spécifiques ? Nous essayons de comprendre les limites de la chimie de la batterie dont nous disposons actuellement, puis de régler la batterie pour combler cette lacune.
Tests et développement de batteries innovantes
L'équipe ORNL a fabriqué des batteries lithium-ion dans l'usine de fabrication de batteries du DOE située à ORNL et les a fait passer à travers des étapes de montée simulées d'avions eVTOL. Les scientifiques ont étudié ce qui se passait à l’intérieur de la batterie pendant le cycle – y compris la quantité d’énergie rapidement accessible pendant la phase exigeante de décollage – puis ont ensuite testé les matériaux de la batterie pour détecter la corrosion et d’autres changements chimiques ou structurels.
Les enquêtes systématiques reliant les profils de vol réels au fonctionnement physique de la batterie en temps réel sont rares. Cependant, il s’agit d’un travail de base essentiel pour développer de nouvelles compositions chimiques de batteries afin d’obtenir des performances de vol sûres.
L'étude comprend des tests d'un nouvel électrolyte développé par ORNL – un matériau à travers lequel les électrodes échangent des ions – par rapport à la version de pointe actuelle utilisée dans les batteries lithium-ion. Grâce aux profils de mission eVTOL, l'électrolyte ORNL a mieux fonctionné, conservant plus de capacité pendant les phases de vol les plus exigeantes en puissance.
Ces résultats démontrent la nécessité de diversifier la manière dont les performances des batteries sont mesurées, a déclaré Dixit. « Votre batterie n’est pas seulement une capacité au bout de 1 000 cycles. C'est ce qui se passe au cours d'un cycle qui vous indique si votre système va fonctionner ou tomber en panne. Et les enjeux sont bien plus importants ici parce que vous vous demandez dans quelle mesure il est sécuritaire de voler dans les airs. C’est une question à laquelle nous ne connaissons pas encore la réponse.
Les membres de l'équipe de recherche travaillent sur de nouvelles améliorations de l'électrolyte et d'autres composants de la batterie, tout en repoussant les limites techniques en matière de puissance, de charge utile et de sécurité de la batterie. Des expériences récentes consistaient à collecter des données réelles provenant de vols de drones au-dessus du campus du laboratoire, puis à utiliser ces informations pour développer un profil personnalisé de la charge et exploiter la batterie. Les batteries fabriquées à l'ORNL ont ensuite subi les mêmes cycles.
Le financement du projet a été assuré par le laboratoire de recherche du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine dans le cadre du programme de recherche essentiel sur la puissance tactique et la propulsion polyvalentes. Les chercheurs de l'ORNL Anuj Bisht et Ruhul Amin et l'ancien chercheur de l'ORNL Rachid Essehli ont contribué à la recherche, qui a également utilisé le Centre pour les sciences des matériaux nanophases, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE à l'ORNL.
