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TECHNIQUE TECHNIQUE

2 600 ans de progrèsSix cents ans avant notre ère, le philosophe Thalès nous présentait déjà les premières descriptions de phénomènes électrostatiques ; et pendant plus de vingt siècles, les hommes ne firent que constater l’existence des aimants, de la foudre et de l’électricité statique sans savoir utiliser cette énergie.Il faudra attendre la fin du XVIIIe siècle pour découvrir la première machine capable de produire de l'électricité (machine électrostatique de Ramsden) et le tout début du XIXe siècle pour voir apparaître les premiers dispositifs de stockage (la pile Volta).Les choses s'accélèrent alors : avec l'apparition des batteries au plomb et les électrolytes gélifiés au milieu du XIXe, des accumulateurs nickel-cadmium au début du XXe, de la pile alcaline durant la Seconde Guerre mondiale. Les premières piles au lithium apparaissent dans les labos en 1971. Tandis que

les technologies lithium-ion (une des technologies lithium) vont s'imposer dans l'électronique portable, puis l'automobile. Et probablement l'aviation.

Stocker l'électricitéLa science et le marché proposent différentes technologies pour stocker l'électricité : stockage mécanique (volant d'inertie ou gaz sous pression, lourd et inadapté à nos usages), électromagnétique (pour des durées très courtes), électrostatique (condensateurs et aujourd'hui supercondensateurs), électrochimique (le cœur du présent article) ou encore par électrolyse inverse (la pile à combustible).Parmi toutes ces solutions, l'électrochimie est celle qui s'est imposée pour la mobilité et pour l'électronique portable ; ces deux marchés ayant significativement tiré la recherche appliquée.

TechnologieLa cellule de batterie est un accumulateur électrique qui stocke l'énergie sous forme chimique et qui a la capacité de décharger cette énergie sous forme de courant continu. Elle est constituée d'une anode ("+"), d'une cathode ("-") et d'un électrolyte qui permet la circulation d'électrons entre ces deux électrodes. Le couple de matériaux anode/cathode caractérise la batterie et ses performances.L'arrivée des batteries li-ion a significativement changé ce principe : elles ne correspondent pas directement à un couple électrochimique comme pour la technologie nickel-cadmium par exemple. Elles sont construites autour du cation (atome chargé) de lithium qui est « transporté » par un électrolyte entre anode et cathode constituées de matériaux « poreux » capables d'héberger ces cations (que les experts me pardonnent cette simplification !).Dans cette technologie, une seule cellule de batterie peut stocker une douzaine de Wh (l'unité est le Watt heure et non pas le « Watt par heure ») et offrir une tension de l'ordre de 3,6/3,8 V. Une des innovations majeures par rapport aux technologies antérieures est l'absence d'effet mémoire.Cathodes, anodes et électrolytes se présentent sous forme de fines plaques (ou films, de 50 à 500 microns d'épaisseur) enroulées sur elles-mêmes (pour les cellules cylindriques) ou pliées (pour les cellules prismatiques ou en poches).La batterie est constituée d'un assemblage de cellules séries et parallèles, d'un dispositif électronique de contrôle des cellules (le BMS : Battery Management

System) et d'un boîtier chargé de protéger (et parfois réguler la température) l'ensemble, de câbles et de connecteurs.Le BMS peut surveiller chacune des cellules ou des groupes de cellules et mesurer : tension, courants de charge et décharge, températures, et identifier l'état de santé de chaque cellule.

Au moins quatre critères significatifsLes caractéristiques d'une batterie ne se limitent pas à sa densité énergétique. Les industriels et les exploitants ont l'habitude de considérer plusieurs critères pour en analyser l'intérêt ou les faiblesses.

La durée de vieLes cellules se détériorent avec leur usage mais aussi au cours du temps. Techniquement, la résistance interne croît et la capacité à réaliser une charge complète se réduit. Dans les usages automobiles, la batterie atteint sa fin de vie quand elle n'est plus capable que d'accepter 75 % de la charge initiale. Il n'y a pas encore de standard pour l'aéronautique, mais l'ensemble des acteurs semble converger vers la valeur de 80 %.

Les batteries monteront-elles jusqu'au ciel ?L'invention de la batterie lithium-ion dans les années 70 fut une véritable révolution : en 2019, soit cinquante ans plus tard, ses inventeurs recevaient le prix Nobel de chimie. Des téléphones aux ordinateurs portables, des cigarettes électroniques aux voitures, cette invention aura façonné nos modes de vie. Mais qu'en est-il pour l'aviation ?

Le Lithium

Sructure d'une cellule cylindrique

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Projection évolution de prix

Size does matter !!

Gilles Rosenberger

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Le lithium est un métal mou, léger, gris et de faible densité (d=0.5, comme un bois léger). C'est l'élément chimique solide le plus léger de l'univers terrestre.Il n'existe pas à l'état naturel isolé mais principalement sous forme de carbonate de lithium. La Bolivie dispose de 40 % des réserves exploitables mondiales connues. Du lithium a aussi été récemment découvert dans des forages profonds en Alsace.L'exploitation des mines d'Amérique du Sud soulève de réelles questions relatives aux atteintes à l'environnement (consommation démesurée d'eau) et à la population, mais ce n'est pas tant l'exploitation du lithium qui est en cause (on sait l'extraire proprement) que la faiblesse des règlements environnementaux et sociaux dans les régions de production.

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Cette fin de vie (EOL : End of Life) a deux conséquences opérationnelles directes : (1) l'autonomie offerte se réduit de 20 % et (2) la batterie doit être changée ce qui induit des coûts d'exploitation.

La sécuritéLes cellules li-ion sont assimilables à un corps humain avec une zone de bon fonctionnement dans une plage limitée de températures. Pour ces cellules, tout se passe bien entre 10 °C et 50 °C (ces valeurs moyennes dépendent des variantes chimiques considérées). Pour les basses températures, on constate un faible rendement et souvent un vieillissement accéléré, mais il en est différemment pour les températures plus élevées. Pour les cellules li-ion, les choses commencent à mal tourner à partir d'environ 80 °C.Le BMS est normalement destiné à surveiller ces températures et décharger les cellules dont les températures peuvent dériver. En cas de défaillance, l'électrolyte (solvant organique) peut prendre feu dans le conteneur fermé que constitue le boîtier de la cellule, et des soupapes de sécurité peuvent s'ouvrir permettant d'éviter l'explosion. La contagion de l'élévation de température d'une cellule à l'autre est possible : c'est l'emballement thermique (thermal run away).

Et ce feu est d'autant plus difficile à combattre que la réaction chimique associée libère de l'oxygène qui accélère le départ du feu.Industriellement, ces risques sont limités par la construction de la batterie, l'isolement thermique (relatif) des cellules les unes par rapport aux autres, le refroidissement permanent ou piloté des cellules… Il existe une autre source connue de démarrage de feu d'une cellule : le court-circuit interne. Une des « maladies » de la cellule li-ion est sa propension à faire croître des dendrites entre ses électrodes ; telles des stalactites/stalagmites convergeant l'une vers l'autre, des particules d'anode et de cathode se rapprochent jusqu'à permettre un arc et un court-circuit.

Les taux de charge et de déchargeLa vitesse de charge est évidemment un critère opérationnel qui permet de limiter le temps d'immobilisation entre deux vols.Les techniciens désignent par 1C le courant qui permet de charger (ou décharger) complètement une batterie en une heure, 2C en une demi-heure, et ainsi de suite.

Les meilleures batteries du marché acceptent « assez facilement » des taux de charge et décharge de l'ordre de 4C à 5C. Au-delà, la santé et la durée de vie peuvent être significativement affectées.Pour la charge, il est bien sûr nécessaire de disposer de chargeurs capables de fournir la puissance nécessaire (les Superchargeurs de Tesla peuvent fournir 250 kW, à comparer à une box résidentielle de 5 à 10 kW…).

La densité énergétique ?Les meilleures cellules li-ion du marché offrent aujourd'hui environ 300 Wh/kg (soit environ 50 fois moins que nos carburants). Mais cette valeur est celle des cellules, pas celle de la batterie qui comprend aussi les supports de cellules, les câbles, les connecteurs, le BMS, le circuit de refroidissement et le conteneur, autant de composants qui alourdissent l'ensemble et réduisent la densité énergétique. On parle coefficient d'intégration pour qualifier le ratio entre les masses des cellules et celles de la batterie. Un coefficient de 0.70 est considéré comme un bon niveau pour un système avec régulation thermique (soit 210 Wh/kg = 300 x 0.7).

Et le futur ?Le marché a précédemment constaté un doublement de la densité énergétique des cellules tous les cinq ans, la vitesse s'est significativement réduite et nous devons maintenant considérer un doublement en dix ans. D'autant plus que l'industrie automobile qui est le plus gros acteur et le plus gros financeur de ces progrès, arrive sur des niveaux permettant des autonomies comparables à celles de véhicules thermiques. Les priorités de cette industrie migrent vers les capacités de charge rapide (augmenter le nombre C), les coûts, la sécurité et l'empreinte environnementale.

Au niveau de la cellule, le potentiel de progrès des cellules actuelles se situe vers 350 Wh/kg.Parmi les technologies en laboratoire, on voit apparaître les offres suivantes :• Lithium-soufre : mise sur le marché vers 2025 à environ 350 Wh/kg (potentiel de 400/450 Wh/kg)• Batterie solide (en anglais Solid State) : mise sur le marché vers 2028 à environ 400 Wh/kg (potentiel de 500/600 Wh/kg). Cette technologie présente aussi un énorme espoir : celui de voir disparaître la progression des dendrites, et en même temps d’éloigner le risque de court-circuit et d'inflammation.Il reste encore un peu de marge de progrès sur le coefficient d'intégration (de 70 % à 80-85 %) mais cela n'apporte qu'un gain de 20 % supplémentaire : bon à prendre bien sûr mais sans capacité à révolutionner le paysage.Au-delà de dix ans, on a quitté le monde de la prévision analytique pour rejoindre celui de la « vision ». C'est intéressant, utile et nécessaire mais beaucoup plus aléatoire.

Nombre de batteries automobiles permettent environ 1 000 cycles de charge/décharge. La plupart des automobilistes ne voient pas leur batterie comme un consommable : avec une autonomie de 150 à 300 km, 1 000 cycles représentent 150 000 à 300 000 km soit un kilométrage rarement atteint aujourd'hui par nombre de véhicules électriques.

Mais 1 000 cycles quand 1 cycle représente un vol de 50-60 minutes (la valeur des batteries aujourd'hui montées sur les avions biplace), cela représente 1 000 heures de vol, soit pour un avion-école, entre vingt et quarante mois, pour la valeur moyenne des aéroclubs français.

La première génération de batteries de l'Alpha Electro acceptait de 300 à 700 cycles (source POH). Et le coût de renouvellement des cellules était estimé à 12 000 € (voire 19 500 € en cas de changement complet de la batterie) soit un coût à l'heure de vol entre 17 et 65 €. Avec une valeur probable d'environ 30 €/hdv. Auquel il faut ajouter l'électricité payée au compteur (3 à 4 € selon les contrats).Cette valeur qui semble importante doit être replacée dans son contexte : avec l'Alpha Electro, Pipistrel a commercialisé le tout premier avion électrique (non certifié) industrialisé. Cette valeur de 30 € est un premier point sur une courbe appelée à montrer la réduction de ces coûts.

Du Labo à L'avion…

Pour identifier le degré de maturité d'une technologie en cours de développement et comprendre « à quelle distance » elle est d'un usage opérationnel, la NASA a mis au point le critère TRL (Technology Readiness Level, degré de maturité de la technologie) qui objective et quantifie l'avancement des travaux de recherche appliquée. Sur une échelle de 1 à 9. Où TRL- 1 décrit la toute première étape qui identifie les principes de base et les observations, jusqu'au niveau TRL-9 qui identifie le stade où la technologie a prouvé sa maturité au travers de la réussite de « missions » réelles (pas en laboratoire). Pour un usage aéronautique, il faudra ensuite certifier la batterie dans un ensemble propulsif électrique. Et pour cela, les autorités estiment actuellement ne pas se satisfaire de démonstrations basées sur des calculs probabilistes ; elles exigent des démonstrations de sûreté de fonctionnement basées sur des nombres importants de cas. Ce qui doit raisonnablement rajouter deux à quatre ans après TRL-9.

Ce risque est loin d’être théorique, il est largement documenté. Des procédures ont été émises par la DGAC, la FAA… pour traiter le feu (d'un téléphone ou d'une tablette) dans le cockpit d'un avion. La ville de New York interdit l'installation de batteries résidentielles « au lithium » sur les toits des immeubles…Et au niveau de la batterie de propulsion, il constitue le principal challenge.

Extra 330 deux packs de 18,7 kWh

© Gilles Rosenberger

Document ministère de la Recherche et de l'Innovation

InnovationInnovation

Du point de vue de la densité énergétique, le vol électrique exclusivement sur batterie va longtemps rester concentré sur des vols courts tandis que les vols de moyenne durée feront appel à des technologies hybrides mixant batteries et autres sources d'énergie telles que turbogénérateur ou pile à combustible. Mais chaque fois, la batterie reste au cœur du système de propulsion et de la gestion de sa sûreté de fonctionnement.