La fibre de carbone est principalement utilisée pour son poids léger et appréciée pour sa résistance et sa rigidité. Cependant, lorsque Leif Asp examine le matériau, il voit une opportunité de le faire remplir de double tache, de manière à améliorer considérablement l'efficacité des voitures et des avions.
«La batterie est un parasite structurel», explique l'ingénieur et professeur à l'Université de technologie Chalmers en Suède, ce qui signifie qu'elle ajoute du poids et réduit l'efficacité, sans contribuer à la résistance physique ni à la structure de la voiture qu'elle propulse. Mais si les véhicules étaient construits avec des batteries?
C'est là que Asp va vraiment avec cette technologie. Il souhaite voir les voitures, les avions, les bateaux, même les smartwatches et autres appareils électroniques grand public fabriqués dans un matériau qui fait à la fois corps et source d'énergie, ce que l'on appelle une «batterie structurelle». Une voiture intégrant des batteries structurelles peut peser jusqu'à 50 pour cent de moins qu'un VE typique qui a de lourdes batteries au lithium ionique emballées dessous, dit Asp.
Ce n'est pas une nouvelle que la fibre de carbone possède des propriétés électrochimiques. Comme le graphite, le matériau est, dans certaines configurations, capable de conductivité. Des chercheurs de l’Université de technologie Chalmers ont demandé un brevet américain pour une pile en fibre de carbone, mais en mettre un sur le marché s’est avéré délicat pour le petit nombre de personnes qui étudient cette idée. Une nouvelle recherche de l'équipe Asp a identifié un aspect particulier du matériau qui rend son utilisation potentielle en tant que batteries structurelles beaucoup plus réaliste.
Leif Asp avec une bobine de fil de fibre de carbone (Johan Bodell, Université de technologie de Chalmers) Cependant, tous les carbones ne sont pas créés égaux et différents types de carbone ont des propriétés différentes qui les rendent applicables à différentes utilisations. L'objectif de Asp est de comprendre ce qui se comporte, comment et pourquoi, et de l'appliquer aux applications structurelles.
«Les fibres de carbone disponibles sur le marché ont été conçues pour des applications structurelles ou pour des applications électriques», explique-t-il. Nous connaissons le mieux les applications structurelles, du carbone qui compose les bicyclettes et d’autres produits solides et légers, mais les composants électriques sont parfois fabriqués dans ce matériau également, bien qu’il en soit un autre. Il croit que le carbone peut faire les deux.
Dans leurs dernières recherches, Asp et ses collaborateurs ont comparé trois composites et les ont examinés par microscopie électronique et spectroscopie laser. Ils ont construit la fibre dans des batteries, examiné la taille et l'orientation des cristaux d'atomes de carbone liés entre eux et comparé la rigidité, la résistance et les propriétés électrochimiques des différents matériaux. Les plus petits cristaux, avec une structure plus désorientée, ont tendance à être plus réactifs électrochimiquement - c'est-à-dire qu'ils sont plus capables de capter, stocker et libérer des électrons, et agissent donc comme des piles. Cependant, ces types de carbone sont moins rigides que ceux contenant des cristaux plus longs et alignés. (Dans les deux cas, ils sont très petits; Asp compare la fibre avec des cristaux de 18 à 28 angstroms à des cristaux de 100 à 300 angströms, et un angström représente un dix milliardième de mètre.)
Les chercheurs envisagent des véhicules dans lesquels une grande partie du fuselage de la voiture ou de l’avion est constituée de batteries structurales au lithium-ion. (Yen Strandqvist, Université de technologie Chalmers) L'utilisation d'une fibre de carbone qui sacrifie une certaine rigidité pour obtenir une meilleure conductivité peut ne pas être un problème, car le matériau était encore plus rigide que l'acier et capable de supporter une charge structurelle. En outre, elle ne tiendra pas une charge aussi efficacement que les batteries traditionnelles, mais si la majeure partie de la voiture est composée de choses, cela n’est pas nécessaire car son efficacité globale sera encore considérablement améliorée. Des partenaires industriels tels qu'Airbus, qui travaille avec Asp depuis 2015, appellent cela le «stockage d'énergie sans masse».
Cela dit, Adrian Mouritz, doyen exécutif de la faculté d’ingénierie de la RMIT University de Melbourne, estime que la technologie est loin d’être pratique. Mouritz travaille également sur le stockage d’énergie structurelle en utilisant de la fibre de carbone, mais son travail inclut des batteries lithium-ion dans des sandwichs de carbone, ce qui permet de supporter une partie de la charge structurelle et de réduire le poids mort des batteries, mais pas autant que la version Asp.
«Notre approche, le matériau composite a déjà fait ses preuves, la batterie elle-même est déjà éprouvée. Tout ce que nous essayons de prouver, c’est l’intégration de la batterie dans le composite, ce qui est une étape beaucoup plus petite à franchir », déclare Mouritz. «Leif's est… plus complexe sur le plan technique, mais ses avantages à long terme seront plus importants. Il reste encore beaucoup à faire en recherche et développement pour optimiser les matériaux et la conception du système actuel. ”
Asp et son laboratoire travaillent déjà à le rendre viable. Premières recherches (2014 et antérieures) sur les fibres de carbone modifiées, introduisant une gaine d'électrolytes polymères stratifiés qui aident la fibre à stocker et à libérer les ions plus efficacement, de la même manière qu'une batterie au lithium ionique utilise un électrolyte intermédiaire.
«Bien sûr, cela prendrait beaucoup de temps pour voler, dit Asp. Il travaille avec Airbus pour produire une démo, qui paraîtra l'année prochaine, qui remplacera les éclairages intérieurs et les câbles par de la fibre de carbone structurelle. Même si les économies de poids plus importantes pourraient permettre d’éliminer le besoin en carburant, qui, selon Mouritz, représente au moins un tiers du budget de fonctionnement d’une compagnie aérienne, la démonstration d’Airbus montrera que la technologie est viable.
Mouritz considère que la technologie est d'abord appliquée aux voitures de luxe et aux voitures de course de Formule 1, puis largement adoptée sur le marché grand public lorsque le prix baisse et que la fiabilité est confirmée. «Si vous parvenez à alléger votre avion, vous économiserez des centaines de millions de dollars, voire des milliards de dollars», a-t-il déclaré.
«L’autre chose, bien sûr, ajoute Mourtiz, c’est que si je réduis ma consommation de carburant, je réduis en fait mes émissions de gaz à effet de serre.»
