Ouvrir la voie à l’adoption des véhicules électriques

Alors que les constructeurs automobiles continuent de se tourner vers les véhicules électriques, l’ère du moteur à combustible interne tire à sa fin et plus tôt que prévu. Au Canada, la vente de nouveaux véhicules à essence prendra fin en 2035. Au sud de la frontière, les États-Unis devraient mettre fin à la vente de nouveaux véhicules légers à essence dès 2025.
 
Pour de nombreux propriétaires de voitures, leur prochain achat sera un véhicule électrique. Mais comme de nombreux propriétaires actuels de véhicules électriques le savent déjà, les avantages environnementaux des voitures alimentées par batterie impliquent également des compromis.
 
Yverick Pascal Rangom, professeur de génie chimique à l’Université de Waterloo, identifie ce compromis comme l’autonomie que la technologie de batterie existante peut supporter.
 
« Les moteurs électriques, c’est bien. » Ils sont extrêmement petits et puissants. « Le problème est la batterie, en particulier la quantité d’énergie qu’elle peut stocker, sa longévité et le temps qu’elle prend pour se recharger. »
 
En collaboration avec d’autres chercheurs de Waterloo, Rangom travaille actuellement sur des innovations qui ciblent ces limites. Dans le cadre de cette recherche, il dirige une collaboration avec son collègue professeur agrégé, le Dr Michael Pope, un projet de recherche approuvé par le fabricant de pièces automobiles Magna.
 
« Le dernier obstacle technique que nous avons pour les batteries lithium-ion, concernant les véhicules électriques, est la recharge rapide », explique Rangom. « Le premier groupe à y parvenir aura le plus d’influence et d’opportunités dans l’industrie. Nous avons encore un long chemin à parcourir pour que cette technologie soit accessible à tous. C’est un rôle important pour les chercheurs comme moi et pour d’autres universitaires. »
 
Bien que de nombreux véhicules électriques puissent être branchés sur une prise standard, ils prennent souvent des heures pour atteindre une charge complète. Les propriétaires de véhicules électriques qui oublient de se brancher pendant la nuit peuvent se réveiller et constater que leur départ risque d'être considérablement retardé.
 
Une borne rapide à la maison est une excellente option. Ces bornes de recharge domestiques doivent être installées par des électriciens agréés. Mais bien que le coût d’installation soit abordable, la plupart des maisons existantes n’ont pas la capacité électrique de les alimenter.
 
Les maisons unifamiliales construites avant la fin des années 1980 n’ont généralement qu’un service de 100 ampères. Les bornes de recharge domestiques nécessitent une capacité supplémentaire, et de nombreux propriétaires doivent passer à un service de 200 ampères. Ce type de mise à niveau peut coûter entre 1 000 $ et 4 000 $.
 
Recharger loin de chez soi est un autre défi. De nombreuses municipalités et entreprises ont installé des bornes de recharge publiques, et les fabricants s’efforcent de développer un réseau de bornes de recharge rapide pour fournir la même couverture que les stations-service traditionnelles.
 
Le pionnier des véhicules électriques Tesla possède l’un des plus gros réseaux de recharge. Tesla a déclaré avoir plus de 40 000 Superchargeurs disponibles dans le monde, dont 17 000 aux États-Unis et 147 au Canada.
 
Les conducteurs de véhicules à essence savent qu’il y a presque toujours une station-service à proximité. Mais même avec des bornes de recharge domestiques et la croissance rapide du réseau de bornes publics, les propriétaires de véhicules électriques luttent toujours contre « l’anxiété de l’autonomie », la peur d’être stoppés parce qu’ils n’auront pas assez d’énergie pour atteindre leur destination. Alors que nous approchons de la fin de l’ère des moteurs à combustion interne, les fabricants de véhicules électriques et leurs fournisseurs s’efforcent d’améliorer le temps de recharge et la capacité énergétique de la batterie.
 
Des chercheurs de Waterloo comme Rangom ouvrent la voie à ces améliorations. Ses recherches portent sur l’amélioration de la performance des électrodes de batterie lithium-ion (Li-ion) et sodium-ion (Na-ion), des condensateurs et des futures batteries à semi-conducteurs.
 
Ces travaux contribuent à faire progresser les capacités de recharge rapide des batteries Li-ion afin d’éliminer l’anxiété liée à l’autonomie et d’accélérer la transition vers les véhicules électriques. La recherche de Rangom sur les batteries n’a pas commencé en génie chimique, mais avec un diplôme en génie mécanique.
 
« Ma première passion était les véhicules, et je voulais faire une différence dans le domaine », dit-il. « Dès le début, il m’a semblé assez clair que l’avenir des véhicules serait électrique. C’est à ce moment-là que je me suis lancé dans l’ingénierie des dispositifs de stockage électrochimiques. »
 
Les moteurs électriques sont plus petits et plus puissants que la plupart de leurs cousins à essence. La taille réduite d’un moteur de véhicule électrique permet plus de stockage, notamment avec l’introduction du « frunk ». Le frunk est le nom familier de la zone de rangement avant rendue possible par le groupe motopropulseur et le moteur d’un véhicule électrique situés sous le véhicule plutôt que dans le compartiment avant. Mais aussi grands que soient les frunks, les propriétaires de véhicules électriques doivent toujours faire face à la capacité limitée des batteries, à la durée de vie de la batterie et des temps de recharge encore trop lents.
 
Les batteries chimiques que l’on retrouve dans les véhicules électriques ont deux éléments: l’anode et la cathode. Pendant la charge, une réaction chimique se produit dans la batterie, les électrons sont libérés du côté de la cathode et traversent le circuit vers le côté anode.
 
Les recherches de Rangom portent principalement sur l’amélioration du côté anode, qui utilise généralement du graphite ou du silicium. Il explore des architectures d’électrodes alternatives pour remplacer les éléments structurels non conducteurs des électrodes actuelles afin d’obtenir une charge plus rapide.
 
« J’essaie de ne pas m’éloigner des batteries lithium-ion parce que nous avons déjà beaucoup d’infrastructures existantes. », dit-il.

Alex Kinsella

Université Waterloo

Contribution: André H. Martel