Niobium : le produit chimique qui pourrait aider à recharger votre voiture électrique en quelques minutes

Dans une zone industrielle au sud de la ville universitaire historique de Cambridge, les chercheurs d'une société appelée Echion Technologies recherchent la formule idéale pour recharger rapidement les batteries des véhicules.

Étant donné que de nombreux gouvernements ont pour objectif ultime des émissions nettes de carbone nulles, une telle invention serait très opportune.

Les voitures électriques ont déjà des capacités longue distance - une autonomie de 322 kilomètres n'est pas inhabituelle - mais beaucoup ont besoin d'heures d'être branchées pour atteindre une charge complète.

Pouvoir y parvenir en moins d'une heure rendrait les trajets à travers le pays plus réalisables, faisant ainsi d'un véhicule électrique une perspective plus attrayante pour les consommateurs.

Une charge plus rapide peut également améliorer la productivité des bus électriques ou des camionnettes de livraison en permettant plus de temps sur la route et moins de temps branché à l'alimentation électrique.

Les batteries qui peuvent être chargées rapidement peuvent également faciliter l'utilisation des trains électriques sans installer d'infrastructures d'électrification coûteuses, telles que des équipements de ligne aérienne.

Siège social d'Echion à Sawston près de Cambridge dans le sud-est de l'Angleterre. Photo: Daniel Bardsley / Le National

Le travail au siège d'Echion Technologies dans le sud-est de l'Angleterre est centré sur un élément chimique dont beaucoup de gens n'ont jamais entendu parler : le niobium.

Malgré son profil bas, le niobium est sur le radar en tant que matériau potentiel pour les anodes de batterie lithium-ion - le matériau d'une batterie lithium-ion qui reçoit des ions lithium - depuis les années 1980.

De nombreuses entreprises à travers le monde étudient son utilisation, ce métal, parfois présent dans l'acier inoxydable, pourrait donc jouer un rôle important dans la transition vers le transport électrique.

"Le travail qui a été fait auparavant était un point de départ. Il n'a pas été optimisé en tant que matériau commercial", déclare Benjamin Ting, directeur commercial d'Echion Technologies.

"C'était l'objectif d'Echion de trouver le matériau optimal à utiliser comme anode de batterie adaptée à une utilisation sur les marchés de masse."

Comme beaucoup de recherche et développement, ces efforts sont tout simplement laborieux : au cours des dernières années, Echion Technologies a examiné près de 1 000 matériaux candidats pour les anodes à base de niobium et sélectionné "une proportion très étroite".

Les équipes de recherche et développement, qui représentent environ les deux tiers des plus de 30 employés de l'entreprise, produisent des poudres contenant des mélanges de substances chimiques en proportions variables, qui sont synthétisés dans un four.

La poudre est ensuite mélangée à des encres et testée pour déterminer dans quelle mesure elles recouvrent la feuille pour devenir des électrodes.

Les électrodes résultantes sont testées dans des dizaines de petites piles en forme de pièce de monnaie, chacune extérieurement similaire aux piles trouvées, par exemple, dans les télécommandes de télévision ou les lecteurs de cartes bancaires.

"Nos résultats au niveau des pièces ont incité un certain nombre de grands fabricants de cellules à commencer le développement de formats commerciaux utilisant notre matériau", a déclaré M. Ting.

L'optimisation des performances de la batterie implique de jongler avec plusieurs variables. Les principaux d'entre eux sont le taux de charge, la densité d'énergie, la densité de puissance, la température de fonctionnement, le nombre de cycles de charge et de décharge qu'une batterie peut durer, ainsi que sa sécurité et sa durabilité.

L'optimisation du taux de charge et de la densité d'énergie revêt une importance particulière, car les batteries à charge plus rapide ont souvent une densité d'énergie plus faible.

"Souvent, si vous essayez d'optimiser pour l'un, vous allez voir un compromis dans les autres", a déclaré M. Ting, un ingénieur agréé australien. "Nous disons que nous offrons le meilleur équilibre."

Créer quelque chose qui est viable en tant que produit fabriqué en série est un "grand pas", depuis la recherche d'un matériau qui fonctionne bien en laboratoire. Mais la société est tranquillement convaincue qu'elle a développé un matériau d'anode qui pourrait trouver un attrait sur le marché.

"Nous ne disons pas que nous changeons la donne, mais nous aimons penser que nous allons faire une différence pour un certain nombre de grandes industries", a déclaré M. Ting. "Nous sommes pragmatiques, ce qui donne confiance à ceux qui souhaitent s'engager dans un nouveau matériau de batterie, car il s'agit d'un investissement et d'un engagement à long terme."

La société affirme que son matériau XNO offre, entre autres, une longue durée de vie, des opérations sûres et la capacité de travailler dans une gamme de températures.

On dit qu'il conserve 70 % de sa production d'énergie même à des températures de -30 °C et qu'il est également résistant à des températures élevées, ce qui peut être particulièrement utile dans des régions comme le Moyen-Orient.

Les principaux fabricants produisent désormais des cellules en utilisant le matériel d'Echion Technologies et la production est augmentée "à l'échelle du millier de tonnes".

Le professeur Poul Norby, du Département de conversion et de stockage de l'énergie de l'Université technique du Danemark, affirme qu'il y a déjà eu "beaucoup de progrès" avec la technologie de recharge rapide, qu'il décrit comme étant importante "pour vraiment faire passer les véhicules à l'électrique".

"Si vous regardez quelques années en arrière, les voitures chargeaient peut-être 50 ou 100 kilowatts [kW]. Maintenant, il est devenu plus courant de charger à 150 kW", dit-il.

En fin de compte, il peut y avoir de nombreux types de matériaux d'anode contenant du niobium qui ont un impact commercial. Les fabricants de batteries ne manquent certainement pas d'intérêt.

En effet, à quelques kilomètres au nord de Cambridge se trouve une autre entreprise, Nyobolt, qui travaille également sur une technologie de recharge rapide utilisant du niobium.

Plus loin, le géant de l'électronique Toshiba et deux partenaires ont annoncé l'année dernière qu'ils travaillaient au développement de batteries lithium-ion utilisant de l'oxyde de niobium-titane comme matériau d'anode, tandis que des entreprises en Chine, en Israël et, en particulier aux États-Unis, se concentrent également sur le niobium.

De nombreuses autres entreprises développent des batteries à charge rapide qui reposent sur différents éléments chimiques.

Alors que le matériau d'anode à base de niobium d'Echion Technologies pourrait se retrouver dans les batteries de voiture, la société affirme que son utilisation dans les batteries des camionnettes de livraison, des bus, des trains ou même des véhicules miniers est plus probable.

"Un véhicule électrique pour passagers n'est peut-être pas le mieux adapté, mais une camionnette de livraison, une camionnette UPS qui peut avoir plusieurs conducteurs et de courtes pauses, ces véhicules sont en vue", a déclaré M. Ting.

"La recharge rapide va être importante pour les bus car il n'est pas idéal que vous ayez des bus assis six heures par jour. Vous voulez pouvoir les utiliser."

Le professeur Norby dit que l'amélioration des vitesses de charge pour les bus et autres gros véhicules peut permettre l'utilisation de batteries plus petites qui pourraient être chargées rapidement à la fin d'un itinéraire de bus, ce qui pourrait économiser de l'argent et du poids.

Cela peut impliquer l'installation de bornes de recharge supplémentaires par rapport à celles nécessaires lorsque les bus sont rechargés la nuit dans les dépôts centraux, de sorte que la solution idéale dépend de l'équilibre entre « avantages et inconvénients ».

Selon M. Ting, la réduction de la taille de la batterie réduit la quantité de matériau de batterie nécessaire, ce qui réduit l'impact environnemental de la production, soulignant les nombreux avantages potentiels de la technologie de charge rapide.

"Nous espérons qu'il y aura des segments qui placeront la charge rapide comme argument de vente", dit-il.