Issam Mudawar, un professeur de génie mécanique à l’Université Purdue, résout les urgences liées à la chaleur depuis 37 ans. Ils suivent souvent un modèle. Quiconque rêve d’un supercalculateur ou d’une nouvelle avionique pour un avion de chasse sera finalement confronté au même problème : l’électronique sophistiquée, remplie de billions de transistors, génère d’énormes quantités de chaleur. Alors les rêveurs viennent chez Mudawar, le gars qui étudie la gestion thermique pour gagner sa vie. « Il semble toujours que le refroidissement est la dernière chose à laquelle les gens pensent », dit-il.
Il y a quelques années, Mudawar a été approché par Ford avec un problème plus modeste : un câble de charge. Comme d’autres constructeurs automobiles, Ford est dans une course pour livrer des véhicules électriques qui s’allument rapidement. Mais il y a un problème avec le déplacement plus rapide des électrons : cela apporte de la chaleur. Si l’objectif est de recharger votre véhicule électrique en, disons, cinq minutes, cette résistance de rencontre de courant supplémentaire signifie des problèmes liés à la température à l’intérieur et à l’extérieur de la batterie. Le cordon, en particulier, devient un goulot d’étranglement surchauffé.
Mudawar a résolu un problème qui n’existe pas encore vraiment. Le département américain de l’Énergie a défini la charge rapide dite « extrême » comme ajoutant 200 milles d’autonomie en 10 minutes. Ceci est accessible avec les stations de charge et les câbles existants, dont les capacités des batteries n’ont pas encore atteint leur maximum, en partie à cause de leurs propres problèmes de chauffage. Pendant ce temps, le travail de Mudawar anticipe un avenir où le remplissage d’une voiture avec des électrons peut peut-être même rivaliser avec la commodité de la pompe à essence.
Récemment, la tendance dans les véhicules électriques est que plus c’est gros, mieux c’est. Les constructeurs automobiles ciblent désormais une autonomie de 400 miles comme antidote à «l’anxiété de l’autonomie», tout en électrifiant les incontournables des routes américaines – Chevy Silverados, Ford F-150, Hummers. Des voitures massives et des exigences d’autonomie massives signifient des batteries totalement géantes. Sans surprise, cela s’accompagne d’un compromis : recharger ces grosses batteries prend plus de temps. L’option la plus rapide pourrait être d’obtenir une charge complète en 30 ou 40 minutes à partir de chargeurs d’autoroute à la pointe de la technologie, qui représentent environ 5 % des remplissages de véhicules électriques, selon le DOE. La plupart du temps, cependant, ces voitures sont conçues pour les conducteurs qui peuvent se brancher à la maison et laisser cette énorme batterie se recharger toute la nuit.
Combiner les deux est difficile, explique Ahmad Pesaran, expert en stockage d’énergie au Laboratoire national des énergies renouvelables. Une expression comme « charge de cinq minutes » signifie quelque chose de très différent si vous chargez une batterie de 200 kilowattheures, comme celle d’un Hummer, par rapport à la batterie de 40 kWH d’une Nissan Leaf. Ces grosses batteries ont besoin de beaucoup plus d’énergie, et elles ont des barrières structurelles qui rendent la charge difficile à faire rapidement. Cela nécessitera probablement de nouveaux chargeurs et stratégies de batterie, de nouveaux câbles sophistiqués, peut-être même des mises à niveau des lignes de transmission qui alimentent les chargeurs afin qu’ils puissent gérer une augmentation massive de la demande. « Je me demande pourquoi nous avons besoin d’une autonomie de 500 miles dans une voiture électrique et voulons également une charge rapide en cinq minutes », dit-il. « Où veux-tu aller? Combien de fois avez-vous besoin de le faire ? » Mais, ajoute-t-il, cela pourrait être inévitable.
Actuellement, la plupart des voitures ne peuvent pas profiter des stations de recharge les plus puissantes que nous ayons déjà, explique Chao-Yang Wang, chercheur en batterie à la Penn State University. Les raisons se trouvent principalement dans la batterie elle-même, notamment un phénomène appelé placage au lithium. Lorsque les batteries se rechargent, les ions lithium se nichent à l’intérieur d’une anode en graphite. Dans un effort pour accumuler plus d’énergie dans les batteries, ce matériau a été conçu pour être assez épais, de sorte qu’il peut contenir plus d’ions. Mais cela devient un obstacle à la recharge. Au fur et à mesure que le courant devient plus intense, ces ions ne peuvent pas pénétrer assez rapidement à l’intérieur du matériau épais de l’anode. Ainsi, au lieu de cela, ils s’accumulent à sa surface sous forme de lithium métallique – ils se plaquent. Et une fois que cela arrive, il n’y a pas de retour en arrière. La batterie perd progressivement l’accès à ces ions et perd ainsi sa capacité à se recharger complètement.