Des batteries pour la mobilité de demain
Des batteries performantes sont la clé de la mobilité électrique à grande échelle. Paul Baade, Pioneer Fellow de l'ETH, étudie comment les fabriquer à moindre co?t.
De 0 à 100 km/h en 2,6 secondes. Une vitesse de pointe de 120 km/h. Et tout cela alimenté par une batterie. C'est "julier", la première voiture de course électrique qui remporte en 2013 une compétition de Formula Student, où des voitures à moteur à combustion font également partie du peloton. Paul Baade, alors ?gé de 22 ans et étudiant en génie mécanique à l'ETH Zurich, est coresponsable de la batterie. Pendant toute une année, Baade et une équipe d'étudiants de l'ETH bricolent et mettent au point le bolide, participent à des courses dans toute l'Europe et remportent de nombreux prix et distinctions.
"Notre objectif était de construire la voiture la plus rapide. Dans ce contexte, la batterie est un facteur décisif en raison de son poids", se souvient Baade en se remémorant cette époque. ? l'époque, l'étudiant en licence comprend rapidement que les batteries lithium-ion sont la clé de l'électromobilité de demain. Aujourd'hui, cet Allemand de 30 ans est un Pioneer Fellow de l'ETH et étudie comment fabriquer des batteries performantes à moindre co?t. Car actuellement, les voitures électriques sont encore trop chères pour remplacer à grande échelle celles équipées d'un moteur à combustion. Le principal facteur de co?t : la batterie. "Si nous voulons nous passer des combustibles fossiles dans le transport individuel", explique Baade, "nous avons besoin de batteries moins chères et de meilleure qualité".
Formula Student : une expérience marquante
La participation à la page externeFormula Student,La participation à l'un des plus grands concours d'ingénieurs au monde a marqué Baade jusqu'à aujourd'hui. Huit ans plus tard, dans son laboratoire de Rüschlikon, il évoque toujours cette période avec enthousiasme : "On se retrouve dans l'atelier et on met en ?uvre ce que l'on a planifié auparavant, on monte des pièces que l'on a con?ues soi-même sur ordinateur. J'y ai beaucoup appris". Une question ne quittera plus Baade : Comment fonctionnent exactement les batteries ?
Dans le cadre de ses études de master à l'ETH, il commence par s'intéresser de plus en plus aux matériaux utilisés dans les batteries. Il suit des matières sur les micro et nanotechnologies afin de mieux comprendre le fonctionnement interne d'une batterie. Pour son travail de master, il rejoint le célèbre Lawrence Berkeley National Laboratory, où il étudie une forme spéciale de dioxyde de titane comme matériau d'anode. Afin de pouvoir mieux observer et analyser le comportement de diffusion difficilement accessible à l'intérieur de la batterie, il construit même une batterie avec une fenêtre en verre.
C'est cette approche pratique qui caractérise Baade. Au cours de ses études, il développe sans cesse des prototypes et des montages d'essai afin de tester et d'optimiser directement les interactions. Son attention se déplace alors de plus en plus vers la mise en ?uvre du génie des procédés . En effet, si l'on ne tient pas assez compte de ces aspects ou si l'on ne les comprend pas, on court le risque, selon Baade, de s'attacher constamment à des idées irréalistes.
Revêtement à grande vitesse
Pour son doctorat, Baade revient à l'ETH en 2016 pour se former au Centre de nanotechnologies Binnig et Rohrer, que l'ETH Zurich exploite en collaboration avec IBM à Rüschlikon, pour étudier de manière approfondie la production de batteries lithium-ion bon marché. Avec sa tutrice Vanessa Wood, aujourd'hui Vice-présidente pour le transfert de savoir et les relations économiques de l'ETH, il développe un nouveau processus de fabrication pour les batteries à l'état solide.
Il se concentre surtout sur le procédé de revêtement. Afin de pouvoir simuler et optimiser celui-ci dans les conditions les plus réelles possibles, l'ingénieur de l'ETH construit une installation de production en format miniature. Baade montre sur sa propre installation de test qu'il est possible de doubler la vitesse de revêtement par rapport aux installations industrielles courantes en appliquant des couches plus fines. Le potentiel de cette technologie est impressionnant : non seulement il est possible de produire dix fois plus, ce qui fait considérablement baisser les co?ts de production, mais le processus de charge est également raccourci, car des couches plus fines permettent des taux de charge plus rapides.
Mais ce n'est pas tout : "Le revêtement plus rapide présente les plus grands avantages pour les batteries à électrolyte solide", explique Baade. Dans la plupart des batteries lithium-ion, on utilise aujourd'hui des électrolytes liquides, car ils présentent une conductivité légèrement plus élevée. Mais en même temps, ils sont plus facilement inflammables. Gr?ce au procédé de revêtement accéléré de Baade, il est désormais possible de compenser l'inconvénient de la conductivité réduite en appliquant plus rapidement des couches plus fines. La batterie devient ainsi non seulement moins chère et plus performante, mais aussi plus s?re.
Impressions du laboratoire
Du laboratoire à l'application industrielle
Mais la vitesse de revêtement plus élevée fonctionne-t-elle aussi en dehors du laboratoire, sur une véritable installation d'usine ? C'est à cette question que Paul Baade va se consacrer au cours des deux prochaines années dans le cadre de son Pioneer Fellowship. "La prochaine étape consiste à tester l'évolutivité du procédé de production sur une installation pilote. Pour cela, nous sommes actuellement à la recherche de partenaires adéquats", explique l'ingénieur.
Sur le principe, Baade est optimiste quant au fait que son procédé donne également de meilleurs résultats sur une installation pilote : "Nous avons déjà pu produire sur notre installation de test dans des conditions relativement réelles. Les chances de réussite de l'extensibilité sont donc bien plus élevées que pour des essais ordinaires en laboratoire".
Ensemble avec son partenaire Ramesh Shunmugasundaram,En outre, Baade, qui est également postdoctorant dans le groupe de recherche de Vanessa Wood, travaille actuellement sur un business plan pour sa propre entreprise. "Nous voulons montrer que nous pouvons construire des batteries non seulement moins chères, mais aussi plus performantes", explique-t-il. Baade est conscient du fait que les bons chercheurs ne sont pas forcément de bons entrepreneurs et qu'il faut beaucoup de persévérance pour prendre pied dans ce segment de marché concurrentiel. La Pioneer Fellowship, avec ses nombreuses possibilités de coaching et de réseautage, offre une base de départ parfaite pour cela.