Batteries Start-Stop pour véhicules hybrides électriques
Aperçu des véhicules hybrides légers et des batteries Start-Stop
Le marché automobile, qui connaissait une croissance soutenue des ventes, s'est brutalement contracté après 2009. La production de véhicules électriques s'est alors de plus en plus orientée vers le secteur « vert » des véhicules hybrides et 100 % électriques. L'installation d'un système start-stop utilisant des batteries SLI (Starter-Lighting-Ignition) classiques exige une capacité de charge et une densité énergétique exceptionnellement élevées, tout en offrant des performances de démarrage supérieures à celles des batteries SLI standard. Cette approche réduit les émissions de CO₂, mais ces systèmes restent encore loin d'atteindre les objectifs gouvernementaux en matière d'émissions. Pour atteindre un niveau de coût acceptable, de plus en plus de fonctions sont transférées du moteur à la batterie. Cela requiert fondamentalement des batteries capables de fournir une puissance et une énergie plus importantes de manière fiable, tout en fonctionnant à des vitesses de charge/décharge élevées dans un état de charge partiel à haute vitesse (HRPSoC). Les batteries au plomb utilisées dans ces conditions présentent une durée de vie plus courte, ce qui contraint les constructeurs de véhicules électriques à adopter les batteries nickel-métal-hydrure (NiMH) et lithium-ion (Li-ion).
Pour maintenir et développer la position dominante des batteries au plomb-acide sur le marché, de nouvelles batteries offrant une énergie, une puissance et une durée de vie accrues sont nécessaires. Le remplacement des batteries SLI (Single Li-In) est en constante progression, tandis que les véhicules équipés de systèmes start-stop bénéficient d'une réduction supplémentaire des émissions de CO2 de 3 à 8 %. Les véhicules hybrides légers et hybrides complets permettent des réductions de CO2 encore plus importantes (de 15 à 40 %). Les véhicules hybrides rechargeables sont plus respectueux de l'environnement. Les projections indiquent que les ventes de véhicules hybrides légers, capables de réduire les émissions de CO2 de 10 à 20 %, continueront de croître entre 2020 et 2025. À l'inverse, les véhicules hybrides complets utiliseront des batteries nickel-métal-hydrure et lithium-ion. Les véhicules hybrides légers dépendent encore principalement des batteries au plomb-acide, ce qui représente une opportunité commerciale rare et significative pour les batteries au plomb-acide haute performance. Au cours des 30 prochaines années, la possibilité que les batteries au plomb-acide de pointe deviennent la principale source d'énergie pour les véhicules électriques dépendra de leur capacité à offrir une longue durée de vie et des performances élevées.
Plusieurs réunions de l'Alliance pour les batteries au plomb-acide avancées ont porté sur ces batteries. Les causes de leur courte durée de vie et leurs mécanismes de défaillance, ainsi que des solutions industrielles efficaces pour y remédier, ont été identifiées au cours de la dernière décennie. L'approche la plus significative consiste à ajouter des additifs de carbone à l'anode afin de prévenir la sulfatation induite par les conditions de charge élevée (HRPSoC). Des superbatteries dotées de plaques d'électrode négative haute capacité à base de carbone, fournies par Furukawa et East Penn, ont fait leur apparition. Des fabricants en Asie, en Europe et aux États-Unis ont incorporé de la poudre de carbone à grande surface spécifique dans les matériaux actifs de l'électrode négative. Bien que cette approche permette d'allonger la durée de vie, les autres paramètres de performance restent inchangés.
Les batteries au plomb n'utilisent que 35 à 40 % de leur capacité théorique de matière active, ce qui explique principalement leur capacité et leur puissance spécifiques relativement faibles. Dans les batteries au plomb de nouvelle génération, l'amélioration de l'utilisation de la matière active offre un potentiel important pour multiplier par 2 ou 3 l'énergie et la puissance spécifiques (Wh/kg, W/kg). Un exemple probant est présenté ici : la sélection de grilles performantes et l'application d'une conception bipolaire permettent d'accroître l'énergie et la puissance spécifiques.
Paramètres de performance des électrodes bipolaires et des grilles améliorées
| Article | Batterie de référence (Batterie de contrôle) | Nouvelle grille 1 | Nouvelle grille 2 | Batterie bipolaire |
|---|---|---|---|---|
| Énergie spécifique (Wh/kg) | 45 | 45 | 45 | 55 |
| Puissance spécifique (W/kg) | 450 | 1200 | 900 | 540 |
L'ajout d'additifs de carbone aux batteries plomb-acide de pointe ne se limite pas à leur incorporation dans la composition du matériau actif de l'électrode négative. Des formes avancées de carbone peuvent remplacer le plomb de la grille. Les grilles en carbone, associées à une pâte de plomb adaptée, présentent une stabilité cyclique et une durabilité remarquablement supérieures, comparables à celles des batteries nickel-hydrure métallique et lithium-ion, comme l'illustre le graphique ci-dessus.
Les batteries au plomb utilisées dans les véhicules hybrides électriques présentent un vieillissement prématuré de leur capacité. De plus, la corrosion et la maintenance engendrent des coûts supplémentaires. La principale cause réside dans leur mode de fonctionnement : les batteries ne sont pas utilisées en charge d'entretien, mais partiellement chargées, avec des cycles de charge/décharge rapides. Ceci entraîne la sulfatation des plaques négatives, provoquant une diminution de la capacité et une réduction de leur durée de vie. Néanmoins, il est indéniable que les performances des batteries au plomb s'améliorent constamment. De nombreux nouveaux modèles répondent aux exigences des applications modernes les plus pointues. La poursuite des recherches permettra aux batteries au plomb de rester la source d'énergie chimique la plus vendue.
