Alléger les véhicules, améliorer l'efficacité : Le rôle clé des supercondensateurs composites structuraux

Écrit par : Jérémie Proulx

Édité par : Mya Ouassini Maamri

En collaboration avec : Prof. Pascal Hubert, PhD

Avec l’essor de l’électrification des transports, il devient essentiel d’améliorer l’efficacité des matériaux utilisés dans les automobiles et les avions, en raison du poids considérable que les batteries ajoutent à ces véhicules. En effet, une batterie peut désormais constituer jusqu’à 26 % du poids total d’une voiture électrique (Greenhalgh et al., 2023).

Les supercondensateurs composites structurels (SCS) représentent une innovation à la croisée des chemins entre le stockage d’énergie électrochimique et la mécanique des matériaux. Contrairement aux dispositifs classiques [Fig1. a, b et c], ces supercondensateurs [Fig1. d] intègrent des fonctions multiples en combinant leur capacité à stocker l’énergie et leur aptitude à résister à des contraintes mécaniques importantes (Greenhalgh et al., 2023). Ils suscitent un intérêt croissant dans les secteurs de l’aéronautique et de l’automobile, où la réduction de poids et l’efficacité énergétique sont des priorités absolues.

Figure 1. Schéma de quatre types de supercondensateurs (Source: Greenhalgh et al., 2023, p. 2)

Dans le contexte des SCS, l’adjectif « structurel », qu’on retrouve devant « électrode », « électrolyte » ou encore « séparateur », représente la multifonctionnalité de leurs composants, capables d’assumer simultanément deux rôles sans recourir à des composants monofonctionnels (Greenhalgh et al., 2023). Dans tout condensateur, alors que les électrodes sont les deux armatures conductrices du condensateur, les électrolytes sont les minéraux qui transportent les charges électriques d’une électrode à l’autre. Enfin, le séparateur d’un condensateur sépare les deux électrodes. La structure des SCS est constituée de fibres rigides et résistantes, semblables aux fibres de carbone, qui servent de squelette à l’électrode. L’électrolyte structurel, quant à lui, agit à la fois comme conducteur ionique et comme composant mécanique capable de supporter des charges. Ces fibres assurent une excellente conductivité électrique et une haute résistance mécanique. Elles servent de support structurel pour l’électrode et sont souvent associées à des polymères rigides qui composent l’électrolyte structurel. La capacité de ces dispositifs à intégrer plusieurs fonctions dans une structure unique est ce qui leur permet d’être aussi légers, une caractéristique essentielle pour des applications mobiles. (Greenhalgh et al., 2023)

Par exemple, il est possible de les intégrer dans les portières de véhicules terrestres. Améliorer le poids et l'autonomie des véhicules électriques permettra aux utilisateurs de parcourir de plus longues distances sans nécessiter de recharge fréquente. Cela rend les véhicules plus pratiques et attractifs pour un usage quotidien, réduit l'anxiété liée à l'autonomie, et favorise l'adoption plus large des technologies propres en réduisant la dépendance aux combustibles fossiles. 

De la même manière, nous pouvons les intégrer dans des exosquelettes ou des outils portatifs lourds. Cette double fonctionnalité offre un avantage compétitif dans des domaines où la mobilité et l’efficacité sont cruciales.

Malgré leurs nombreux avantages, les supercondensateurs composites structurels doivent encore surmonter plusieurs obstacles techniques avant de pouvoir être adoptés à grande échelle  (Greenhalgh et al., 2023). Parmi ces défis, on retrouve le développement de l’électrolyte structurel, qui doit posséder une conductivité ionique élevée tout en restant rigide sous contrainte mécanique. L’optimisation de la collecte de courant est également essentielle, car les interfaces entre électrodes et électrolytes doivent être parfaitement maîtrisées pour minimiser les pertes. Enfin, la mise en échelle, passer du laboratoire à la production industrielle, nécessite de surmonter des contraintes liées aux coûts et à la fabrication à grande échelle (Greenhalgh et al., 2023).

Cependant, les recherches en cours laissent entrevoir des solutions prometteuses. Par exemple, l’utilisation de nanostructures pourrait améliorer les performances des électrolytes structurels. (Greenhalgh et al., 2023) De même, le développement de modèles multiphysiques permettra d’optimiser la conception et l’intégration des SCS dans des systèmes complexes. 

L'introduction de ces composites multifonctionnels offre également des avantages qui vont bien au-delà du simple stockage d'énergie. En effet, cette technologie a des implications directes sur la conception des systèmes aériens, permettant des économies considérables, par exemple dans la gestion du câblage. Ce concept a été exploré pour des applications dans les cabines d'avion, les avions électriques et les taxis aériens, où l'intégration de matériaux légers et multifonctionnels réduit non seulement le poids des aéronefs, mais permet aussi de simplifier les systèmes électriques. (Greenhalgh et al., 2023)

Dans les cabines d'avion, l’utilisation de ces matériaux pourrait éliminer une grande partie du câblage traditionnel, contribuant ainsi à l'optimisation de l'espace et à une efficacité énergétique accrue. Les futurs avions électriques pourraient également tirer parti de ces composites pour améliorer l'autonomie tout en réduisant le poids des batteries et des systèmes de stockage d'énergie. 

De même, dans les taxis aériens qui émergent comme une solution de transport urbain futuriste, l’utilisation de ces composites multifonctionnels pourrait rendre ces véhicules plus légers et plus efficaces, tout en optimisant l’utilisation de l’énergie. En effet, « ces engins offrent de multiples avantages pour un usage en zone urbaine dense : leurs émissions de gaz à effet de serre sont limitées, ils sont peu bruyants, peuvent voler à basse altitude et permettent une gestion beaucoup plus simple du trafic aérien qu’avec des hélicoptères par exemple. » (ESTACA, n.d.)

En définitive, les supercondensateurs composites structurels ouvrent de nouvelles perspectives, notamment dans les secteurs de l'automobile et de l'aéronautique, en combinant stockage d'énergie et résistance mécanique. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour surmonter les défis liés à leur production à grande échelle et à leur performance dans des conditions réelles.

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References:

ESTACA. (n.d.). Taxi-drones : Une thèse pour améliorer les performances de la propulsion électrique [Web article]. ESTACA. https://www.estaca.fr/actualites/taxi-drones-these-ameliorer-performances-propulsion-electrique/#:~:text=Reprenant%20les%20technologies%20avanc%C3%A9es%20de,permettent%20une%20gestion%20beaucoup%20plus

Greenhalgh, E. S., Nguyen, S., Valkova, M., Shirshova, N., Shaffer, M. S. P., & Kucernak, A. R. J. (2023). A critical review of structural supercapacitors and outlook on future research challenges. Composites Science and Technology, 229, 109633. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.109633