Batterie a carica rapida: i limiti del fisico

Par Pierre Allemand.

Su ne compte plus les annuncia trionfali Proclama la nuova batteria XZZ Plus (ou autre) va enfin résoudre le problème de la capacité et de la recharge rapide qui va rendre la voiture électrique aussi performante que le véhicule thermique classique avec 5 minutes de temps de capacité recharge kilométrique égale o supérieure aux 800 km di autonomia del veicolo diesel d’aujourd’hui.

Et nos giornalisti specializzati nella domanda, voyant que les voitures électriques qui demandaient 24 heures de charge au debut de l’époque moderne, ont vu leur temps de charge passer rapidement à 12 heures, puis 6 heures rapid et duré fil du temps, affermant , sûrs d’eux : les 5 minutes sont pour bientôt !

Eh bien non, répond le physicien. Il existe une barrière, invisibile mais bien presente.

La ricerca sulle batterie

La ricerca di azimuts sur les batterie est très probablement le sujet qui a déjà mobilisé le plus de ressources de recherche dans le monde depuis plusieurs dizaines d’années. Et Cela sans résultat vraiment probant : le saut technologique déterminant n’a jamais eu lieu (su pourrait s’étonner de cet acharnement, mais cela sort du sujet d’aujourd’hui).

Su dit aussi que les nouvelles batterie sont le projet dont la période initiale de développement a duré le plus longtemps (150 ans?). La raison en étant que la physique s’oppose obstinément à la découverte de batterie electriques douées de performance paragonabili a celles d’un modeste carburant issu de fossile.

Le défi est simple à noncer, mais difficile à atteindre. Il s’agit de créer une batterie possedute les caractéristiques suivantes :

1. Capable de stocker autant d’énergie que celle contenue dans le réservoir d’un véhicule diesel classque, quindi 60 litri di carburante, o 48 kg.
2. Ricaricabile en moins de 5 minuti (temps d’un plein moyen).
3. Ces deux premières performance ne diminuant pas pendant toute la durée de vie du véhicule.
4. Restant entière (solidité) ciondolo toute la durée de vie du véhicule.

Malgré la formidable masse des recherches, les batterie actuelles (2020) sont encore éloignées de ces performance. Ajoutons qui plus est que la physique limite clairement les possibilités d’innovation dans ce domaine.

Le problème essentiel, jamais d’ailleurs évoqué clairement par les constructeurs, vient de la caractéristique numéro 2. Pour le comprendre, il faut esaminatore ce qui se passe dans le tuyau d’une pompe lorit le burantein ple.

Je veux parler du débit énergétique, c’est-à-dire de la quantité d’énergie qui doit transiter, pendant le temps du plein ou de la charge, soit dans le tuyau, sous form de carburant, soit dans le câble de recharge sotto forma di elettricità.

Pour satisfaire à la condition numéro 2, il faut pouvoir faire passer dans le câble de recharge du véhicule électrique, une quantité d’énergie équivalente à celle qui transite par le tuyau, et c’est lât que le b.

Un des objects est impossibile à atteindre

Voci versate:

Le carburant diesel classique contient une énergie libérable par combustione de 44 mégajoules soit 12,2 kWh par kilo (riferimento).

Le plein (60 litri, quindi 48 chili) d’un réservoir de véhicule diesel contient donc une énergie libérable totale de :

12,2 x 48 = 585,6 kWh

Notons que la capacité des batterie équipant les voitures électriques actuelles est d’environ 50 kWh, soit de l’ordre de 10 fois moins que la valeur à atteindre ci-dessus et que la Tesla modèle 3 pourrait être de 100 équip kWh, soit de l’ordre de 5 fois moins que cette valeur.

Cependant, il faut aussi tenir compte du Restituzione delle operazioni. D’après Wikipédia, le rendement global d’un véhicule thermique sur autoroute serait seulement de 20% du carburant aux roues. L’energie réellement utilisable à partir du plein est donc seulement de :

585,6 x 0,2 = 117,1 kWh

Le rendement d’un véhicule électrique sur autoroute, toujours selon Wikipédia, est nettement meilleur : il serait de 74% de la batterie aux roues, rendement qu’il faut encore moltiplicatore par le rendement de la recharge de la batterie qui serait de 85%.

Pour une comparaison équitable avec un véhicule électrique, il faut donc diviser les 117,1 kWh ci-dessus par le produit des rendement VE (moteur et recharge), et l’énergie devient :

117,1 / (0,74 x 0,85) = 186,2 kWh

L’energia calcolata ci-dessus doit être transférée par la pompe dans le réservoir it 5 minuti. La pseudo--puissance corrispondente au transport dans ce temps de la même quantité d’énergie dans une hypothétique batterie à rechargement rapide (5 minuti, quindi 1/12^ème d’heure) sera donc de 186,2 x 12 = 2 234 kilowatt, soit environ 2,2 MW

Cette valeur est plus proche de la puissance d’un transformateur de moyenne puissance alimentant plusieurs centaines de foyers, que de celle d’une installation domestique (environ 12 kW pour un grand logement).

Notons que comme il s’agit de transférer une quantité d’energie électrique d’un générateur à une batterie, et cela dans un temps donné, le résultat de la division de la quantité d’énergie par bice temps, corrispondente , à la potenza elettrica del generatore di ricarica.

C’est una quantità di energia elettrica importante qui doit être transférée dans un temps relativiment Tribunale. Pour fixer les idées, sous une tension de 500 volts continus, il cavo di collegamento tra la stazione e la batteria devrait supporter une intensité de 4400 ampers, ce qui apparait assez irréaliste.

En effet, même en admettant que la batterie soit modifiée pour pouvoir recevoir une charge sous 500 volts continui et 4400 ampères et que l’on puisse installer une borne de recharge fournissant ces caractéristiques, la puissance de demand égae (plus tellé) 2que cette borne ne pourrait être installée que dans alcuni siti precis et peu nombreux et qu’il ne serait pass question d’installer deux Bornes au même endroit, ce qui corrispondente à une puissance de 4,4 MW.

Il cavo capace de supporter les 4400 ampères requireés devrait, d’après les données de l’abaque p 14 (riferimento). Ce genere di dispositivo poserait des problèmes quasi insolubili quant à la connessione proprement dite (qualità dei contatti) ainsi qu’au positionnement précis du véhicule par rapport à la barre d’alimentazione.

Reconnaissons que ces contraintes sont telles qu’elles éliminent à la fois l’existence possible de stations de recharge régulièrement réparties le long des route, mais égallement celle d’une configuration des batterie et des systèmes de liaison capaci di supporter ces contrain

Batterie: meno soluzioni possibili

Sostituire le cuivre par de l’argent

L’argent étant le plus Conducteur de tous les métaux, on peut espérer diminuer la contrainte dimension du Conducteur en remplaçant le cuivre par de l’argent. Hélas, les différences de résistivité entre les deux métaux sont faibles (cuivre : 1,72 µohm.centimètre, argent : 1,59 µΩ.cm. (reférence : CRC Handbook of Chemistry and Physics 46th edition).

Ce remplacement peut modifier au mieux de quelques pourcents les Dimensions des Conducteurs, sans amélioration fondamentale.

Utilizza la superconduttività

Il massimo possibile di trasporto in una corrente di 4400 ampere da un materiale sovraconduttore di manutenzione a una temperatura inférieure a una temperatura critica per una circolazione di acqua liquida = -195 °C. Comme la résistance d’un tel Conducteur est nulle, ses Dimensions peuvent être Telles que le Conducteur soit souple.

L’inconveniente maggiore del sistema è l’obbligo di mantenere la conduzione alla temperatura di funzionamento, che qui impone una stazione di raffreddamento a bassa temperatura.

De plus, cette solution ne peut pas être étendue facilement aux Conducteurs internes du véhicule, ce qui restreint l’avantage de la supraconductivité.

Se contenter d’approcher, sans les atteindre les objectifs critiche

• La carica totale delle batterie est beaucoup plus difficile an atteindre qu’une charge partielle à 75 % o même 50 %. En effet, dans ces cas, la valeur de l’énergie à transporter est multipleée par 0,75 ou 0,50, ce qui permet de réduire l’intensité dans les mêmes proporzioni: on passe à 3300 ampere (75%) ou 2200 ampere (50%).
• On peut se contenter de 10 minutes de temps de recharge, au lieu de cinq. L’intensité passe allors à 1650 A per il 75% di sconto e 1100 A per il 50% di sconto.
• On peut accepter une capacité de la batterie divisée par deux (292.8 al posto di 585.6 kWh, ce qui corrisponde encore à trois fois la capacité de la batterie de la Tesla 3. On arrival alors à 550 ampers, valeur qui devient réaliste avec les moyens atti.
• Cette valeur peut encore être divisée par deux pour arriver finalement a 275 ampere, si su accettae de monter la tensione di ricarica a 1000 volt.

Il est probable que c’est vers cette troisième solution que les constructeurs vont se tourner, en obliant les objectifs initiaux et en acceptant une autonomie réelle réduite (300 o 400 km ?) et un temps de recharge de 10 minutes quis devientsi réle nombre des stazioni di ricarica est importanti, et qu’on les trouve partout, ce qui est rendu possibile par l’abaissement des contraintes.

Conclusione

Ces piccoli calcoli di monete da tavola montrent que les batterie des voitures électriques sont assez loin des performance d’un semplice serbatoio di carburante diesel.

Par ailleurs, il faut se résigner au fait qu’elles ne pourront tout simplement pas les atteindre, non pas pour des raisons liées aux batterie elles-mêmes, mais pour des raisons de puissance de distribution. Il faudra réduire nos ambizioni. Et le véhicule électrique pour tous n’est probablement pas pour demain, ni même pour après-demain.

Articolo publié initialement le 14 août 2020.