La vision des chercheurs est celle de véhicules dont une grande partie de la carrosserie ou du fuselage de l'avion est constituée de batteries structurelles au lithium-ion. La fibre de carbone multifonctionnelle peut servir d'électrodes de batterie et de matériau porteur consécutivement. Les chercheurs travaillent avec des batteries lithium-ion structurelles où les électrodes négatives sont en fibre de carbone et les électrodes positives sont en fibre de carbone à revêtement cathodique. Sur la photo, la batterie est chargée, ce qui signifie que l'électrode négative est remplie d'ions lithium chargés positivement. Crédit :Yen Strandqvist, Université de technologie Chalmers
Une étude menée par Chalmers University of Technology, Suède, a montré que les fibres de carbone peuvent fonctionner comme électrodes de batterie, stocker l'énergie directement. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour les batteries structurelles, où la fibre de carbone devient une partie du système énergétique. L'utilisation de ce type de matériau multifonctionnel peut contribuer à une réduction significative du poids des avions et véhicules du futur, un enjeu clé pour l'électrification.
Les avions de passagers doivent être beaucoup plus légers qu'ils ne le sont aujourd'hui pour être propulsés à l'électricité. Une réduction de poids est également très importante pour les véhicules afin d'allonger la distance parcourue par charge de batterie.
Leif Asp, Professeur de mécanique des matériaux et de calcul à l'Université de technologie de Chalmers, mène des recherches sur la capacité des fibres de carbone à effectuer plus de tâches que de simplement agir comme matériau de renforcement. Ils peuvent stocker de l'énergie, par exemple.
« Une carrosserie de voiture ne serait alors pas simplement un élément porteur, mais aussi faire office de batterie, " dit-il. " Il sera également possible d'utiliser la fibre de carbone à d'autres fins telles que la récolte d'énergie cinétique, pour les capteurs ou pour les conducteurs d'énergie et de données. Si toutes ces fonctions faisaient partie d'une carrosserie de voiture ou d'avion, cela pourrait réduire le poids jusqu'à 50 pour cent."
Asp a dirigé un groupe multidisciplinaire de chercheurs qui a récemment publié une étude sur la façon dont la microstructure des fibres de carbone affecte leurs propriétés électrochimiques, c'est-à-dire leur capacité à fonctionner comme des électrodes dans une batterie lithium-ion. Jusqu'à présent, il s'agit d'un domaine de recherche inexploré.
Les chercheurs ont étudié la microstructure de différents types de fibres de carbone disponibles dans le commerce. Ils ont découvert que les fibres de carbone avec des cristaux petits et mal orientés ont de bonnes propriétés électrochimiques mais une rigidité plus faible en termes relatifs. Si vous comparez cela avec des fibres de carbone qui ont de grandes, cristaux hautement orientés, ils ont une plus grande rigidité, mais les propriétés électrochimiques sont trop faibles pour une utilisation dans des batteries structurelles.
« Nous savons maintenant comment fabriquer des fibres de carbone multifonctionnelles pour atteindre une grande capacité de stockage d'énergie, tout en assurant une rigidité suffisante, " Asp dit. " Une légère réduction de la rigidité n'est pas un problème pour de nombreuses applications telles que les voitures. Le marché est actuellement dominé par des composites en fibre de carbone coûteux dont la rigidité est adaptée à l'utilisation des avions. Il existe donc ici un certain potentiel pour les fabricants de fibres de carbone d'étendre leur utilisation. »
Dans l'étude, les types de fibre de carbone avec de bonnes propriétés électrochimiques avaient une rigidité légèrement plus élevée que l'acier, alors que les types dont les propriétés électrochimiques étaient médiocres sont un peu plus de deux fois plus rigides que l'acier.
Les chercheurs collaborent avec les industries de l'automobile et de l'aviation. Leif Asp explique que pour l'industrie aéronautique, il peut être nécessaire d'augmenter l'épaisseur des composites en fibre de carbone, pour compenser la rigidité réduite des batteries structurelles. Ce serait, à son tour, également augmenter leur capacité de stockage d'énergie.
« La clé est d'optimiser les véhicules au niveau du système, en fonction du poids, force, rigidité et propriétés électrochimiques. C'est en quelque sorte une nouvelle façon de penser pour le secteur automobile, qui est plus habitué à optimiser les composants individuels. Les batteries structurelles ne deviendront peut-être pas aussi efficaces que les batteries traditionnelles, mais comme ils ont une capacité de charge structurelle, des gains très importants peuvent être réalisés au niveau du système."
Il continue, "En outre, la densité énergétique plus faible des batteries structurelles les rendrait plus sûres que les batteries standards, d'autant plus qu'ils ne contiendraient pas non plus de substances volatiles."
