Pourquoi les batteries de voiture sont-elles toujours aussi lourdes?

Quand j'étais enfant, les batteries de voiture étaient de gros morceaux de plastique remplis de plomb et d'acide. Ils pesaient presque autant qu'un téléphone portable (légère exagération, désolé).

45 ans plus tard, les batteries de voiture se ressemblent toujours et pèsent le même poids.

Ainsi, en cette ère moderne et en mettant l'accent sur l'économie de carburant, pourquoi les batteries pèsent-elles toujours 40 lb? Pourquoi les progrès technologiques n'ont-ils pas été en mesure de les rendre plus légers et plus efficaces?

Donc, maintenant, après la réponse à votre question littérale à votre vraie question , que vous n'avez malheureusement pas demandé

La technologie des batteries a évolué jusqu'à présent au cours des 100 dernières années. La batterie de démarrage au plomb est devenue courante dans les voitures en 1920, le plomb est essentiellement un poison et l'acide sulfurique / acide de plomb n'en est pas moins dangereux. Ils ont tendance à tomber en panne par temps froid, en particulier s’ils ne sont pas régulièrement entretenus. Même s’ils sont évidemment très économiques, leur manipulation, y compris les obligations légales en matière de récupération de piles usagées, doit être un cauchemar.

Pourquoi l’industrie n’a-t-elle pas simplement tracé une ligne de démarcation et opté pour des solutions telles que LiIon ou de bonnes vieilles batteries NiCd ou NiMH, maintenant que les voitures électriques ont prouvé qu’elles pouvaient conduire de manière fiable pendant des années?

Les piles NiCd sont simplement pires dans tous les aspects, sauf la densité d'énergie, que l'acide au plomb. NiMH est meilleur, mais beaucoup plus cher, et a toujours un taux de décharge plus élevé, généralement (à moins que vous ne les rendiez encore plus chers). Et encore assez difficile à éliminer correctement.

Les piles au lithium ne sont pas si faciles à manipuler. Vous devez les protéger contre toutes sortes de pannes et certaines d'entre elles sont fatales: ne surchauffez pas votre batterie au lithium. Ça va exploser. Et la chaleur est un problème sérieux à l’intérieur du compartiment moteur (en toute justice, il n’est pas nécessaire de placer une batterie , mais c’est très pratique).

La raison principale est vraiment le coût. La batterie de ma dernière voiture, une Fiat Punto de 1999, fournissait au maximum 100 A (lorsque j’essayais d’estimer le courant de court-circuit réel, environ 43 A, mais toujours beaucoup. Disons P = U · I = 12V · 40A = 480W ) et avait une capacité nominale d’environ 30 Ah (c’est-à-dire une énergie de 12V · 30Ah = 360Wh). Cela m'a coûté 25 €. Donc, approximativement, c'est moins cher que 10 € à produire.

Prenons donc un type de pile au lithium fabriqué en série et donc bon marché. Les piles rondes couramment utilisées qui composent de nombreux packs de batteries d'ordinateurs portables coûtent environ 3 € chacune (soit 1 € en production) pour environ 3Ah (11,1Wh), jusqu'à 5A (maximum, ne le faites pas trop longtemps) 3,7 V. Cela signifie qu'une seule cellule de ceux-ci peut fournir 18,5W. Donc, pour atteindre les 480W estimés de ma batterie de voiture cheapo, il vous en faudrait 26. Ils coûteraient 26 € en production, sans compter les euros que vous dépensez pour les circuits de commande, de charge et de protection, pour les enfermer dans quelque chose de rigide et sûr, et le fait que les minéraux nécessaires à la production de composants en métaux rares au Lithium Les batteries ne sont pas en train de devenir moins chères, et équiper les voitures du monde entier avec celles-ci va certainement accélérer ce mécanisme de marché.

Supposons des échelles de coûts avec la capacité. Ma batterie au lithium 26 cellules a une puissance de 26 · 11,1Wh = 288,6Wh. Nous avons donc besoin de l’échelle de 1,25 pour atteindre le même 360Wh que la batterie au plomb.

Une telle cellule pèse environ 90g. Donc, le poids des cellules est de 26,90 g = 2,34 kg. D'accord, je n'ai pas dans la tête le poids exact de la batterie de ma voiture pas chère, mais disons que c'était 15 kg. Nous avons donc gagné en poids environ 6,3 fois, si notre boîtier et nos composants électroniques sont légers (ce n’est pas le cas - pour autant que je sache, vous aurez besoin d’une alimentation lourde en mode commutation pour pouvoir les charger efficacement à l’aide de Le groupe électrogène de votre voiture, composé principalement d’une bobine de cuivre assez volumineuse, et peut-être d’un noyau de ferrite qui n’est pas tout à fait léger, soit).

Cela conduit à un facteur de coût d'environ 3,5 entre le composant A et le composant B, avec des inconvénients de traitement, une fiabilité moindre et des modifications de la chaîne d'approvisionnement. Pas étonnant que l'industrie automobile ne pousse pas dans cette direction. (Et, au fait, ils font un excellent lobbying.)

Donc, réponse évidente en premier:

pourquoi les batteries pèsent encore 20 kg?

Parce que ce sont toujours les mêmes batteries plomb-acide. Aussi simple que cela. Aucune autre technologie n’a atteint le faible coût par ampère (et ampère-heure) de ceux-ci, sa fiabilité et sa facilité de manipulation. 20 kg n’est pas si lourd, si vous considérez que «l’économie de carburant» signifie toujours que votre voiture neuve transporte en moyenne des dizaines de kilogrammes de fonctionnalité «confort» et pèse environ 1 mg pour les seules pièces métalliques.

45 ans plus tard, les batteries de voiture se ressemblent toujours et pèsent le même poids.

45? Plus comme 120 ans ... mais oui. Nous construisons toujours des ponts en acier, notre béton a été amélioré, mais reste essentiellement du béton, nous utilisons de l'asphalte pour les routes, le cuivre est toujours notre conducteur préféré, la technologie d'amplificateur la plus répandue dans tout ce qui n'est pas fondamentalement basse fréquence un amplificateur de classe A / B basé sur un transistor bipolaire et nos réfrigérateurs ne reposent toujours pas sur des moyens de transport de chaleur plus efficaces, mais sur la compression de fluides plus ou moins dangereux.

Les dernières batteries sont beaucoup plus légères et coûtent moins cher sur la durée de vie du véhicule que celles d’autrefois. Mais ils n'utilisent pas de chimie LA (acide au plomb).

Une batterie LiFePO4 (Ferro Phosphate de Lithium) fera ce qui est nécessaire à un coût en vie utile acceptable MAIS à un coût en capital initial plus élevé - ce qui la rend peu attrayante pour les constructeurs automobiles.

Le faible coût en capital initial semble être la principale raison de préférer le plomb-acide au LiFeO4 et il n’est pas évident qu’il existe d’autres très bonnes raisons.

La durée de vie du cycle est très supérieure à celle de l'acide au plomb, ce qui permet de réduire le coût de la vie entière à celle de l'acide au plomb.

Contrairement à LiIon (Lithium Ion), un "pic dans le cœur" ne causera pas les problèmes d’une LiIon.

Le contrôle de charge est "assez facile".

Par rapport au plomb-acide:

Profondeur de décharge autorisée, et taux de charge maximum acceptables supérieurs,

La plage de température est meilleure

L'efficacité de recharge est meilleure.

La performance de décharge automatique est meilleure.

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Lithium Ion / LiIon:

Il est utile de commenter les batteries LiIon, car elles ont souvent mauvaise presse en matière de sécurité.

Comparée au plomb, la chimie du LiIon offre des densités de masse et d'énergie nettement meilleures (plus légères et plus petites), une durée de vie un peu plus longue, un coût en capital plus élevé et probablement un coût de la vie utile un peu supérieur. Correctement géré, le contrôle de charge est plus facile. Les plages de température sont meilleures, l'efficacité de charge / décharge est légèrement supérieure. Les inconvénients liés à la sécurité ne sont généralement pas un problème - voir ci-dessous.

Dans de nombreuses applications, les batteries LiIon sont la batterie de prédilection - des Dreamliners aux téléphones Samsung, en passant par les "Hoverboards", Mars Rovers, les ordinateurs portables, les smartphones, les lecteurs MP3, etc. Les trois premières applications ci-dessus ont été sélectionnées pour leurs échecs spectaculaires connus. Mais tout ce qui est utilisé dans un véhicule mobile est choisi pour son aptitude dans un environnement hostile de longue durée, ne doit pas échouer. Et des centaines de millions de batteries LiIon sont utilisées quotidiennement dans les poches et les maisons des personnes, leurs voitures, etc.

Compte tenu de la façon dont les batteries LiIon peuvent échouer, les nombres qui échouent de manière spectaculaire sont très rares. Les échecs qui sont largement rapportés sont assez souvent dus à une défaillance systémique qui affecte un lot ou un modèle de batterie qui a été produite et distribuée en quantités énormes OU à un volume inférieur à des applications très sophistiquées. Dans de tels cas, un défaut de conception ou de fabrication ou une défaillance entraîne ou permet des défaillances dont les conséquences sont exacerbées par les comportements impitoyables de la chimie LiIon.

Les exemples de "vent avec flamme" dans certains ordinateurs portables Apple, téléphones Samsung, auto-équilibrage "hoverboards" et similaires sont bien connus. Dans les deux premiers exemples, des fabricants généralement compétents ont laissé exister un défaut de conception non corrigé et / ou inaperçu ou ont pris des raccourcis dans la fabrication, dans la mesure où les marges de sécurité les rattrapaient. Dans le cas des "hoverboards", la cause ne m’est pas connue, elle est tout aussi susceptible d’être une fabrication de faible qualité à faible coût et un contrôle de charge médiocre. Dans les équipements grand public, les défaillances de la batterie LiIon résultent souvent d’un court-circuit dans une cellule, dû à des dégagements insuffisants et par conséquent à une sensibilité aux chocs conséquente, ou au choc des variations statistiques de tolérance de fabrication.

Dans le cas des pannes de batterie de Boeing Dreamliner, je n'ai pas vu de rapport final sur les causes fondamentales, MAIS, alors qu'un certain nombre de pannes bien connues ont eu lieu (et peut-être quelques unes non publiées) dans un très petit volume de produit, les conséquences ont été étonnamment bien contenues .

Un examen détaillé des défaillances, des modes et des conséquences de LiIon montre qu'elles sont presque toujours aussi violentes que le suggère le "mythe" populaire et que, si la libération d'énergie est importante, le confinement est relativement facile en termes d'ingénierie. Le confinement ajoute du poids, du volume et du coût et se retrouve rarement dans les ordinateurs portables ou les appareils portables ou de poche. Il est présent dans les Dreamliners et pourrait facilement être utilisé dans les applications à batterie unique (c.-à-d. Non-EV) pour l’automobile tout en maintenant le poids et le volume bien au-dessous des niveaux de plomb et à un coût supplémentaire modeste. Dans les applications de véhicules électriques, les problèmes semblent avoir été résolus ou traités "assez bien". J'ai aucune expertise dans les domaines de la réglementation de la sécurité des véhicules, mais je suis convaincu que les réglementations qui nous fournissent des images spectaculaires de crash-dummy et permettent de gérer les carburants à base de pétrole à forte volatilité dans les véhicules de tourisme traitent également des problèmes de sécurité autour des sources d'énergie LiIon. Je n'ai pas entendu parler d'une voiture 'Tesla' immolée suite à une panne de batterie - même si cela s'est peut-être déjà produit - et j'imagine que Musk et ses camarades pensent avoir cette zone à risque "suffisamment à la main".

À ma grande déception, je n'ai jamais assisté à un événement Li-ion avec une flamme et je ne connais personnellement personne qui l'ait fait. Les occurrences sont suffisamment fréquentes pour faire parfois l'actualité de la Nouvelle-Zélande (la population de la Nouvelle-Zélande est inférieure à 5 millions).

LiIon versus LiFePO4:

Comparée à LiFePO4, la chimie des ions offre des densités de masse et d'énergie légèrement meilleures (un peu plus légères et plus petites), une durée de vie du cycle sensiblement INFÉRIEURE , un coût en capital légèrement inférieur (par capacité énergétique) et un coût de l'ensemble de la vie substantiellement inférieur. Le contrôle de la charge est à peu près le même mais LiFePO4 est nettement plus difficile à endommager dans les cas marginaux. Les plages de température ne sont pas aussi bonnes, l'efficacité de charge / décharge est à peu près la même. LiFePO4 sont beaucoup moins sujets aux problèmes de sécurité.

Dans les régions où la taille et le poids et le coût d'investissement sont les plus faibles (l'utilisation de véhicules électriques en est un bon exemple), LiIon est supérieur à LiFePO4.

Dans presque tous les autres domaines et applications, LiFePO4 est supérieur ou supérieur à LiIon et je les considère comme la technologie de batterie actuelle de choix pour le stockage d'énergie à longue durée de vie et à nombre de cycles élevé.

Les batteries de démarrage au lithium existent , principalement pour les courses ou autres applications de performance ou de luxe où les économies de poids ou le droit de se vanter en valent la peine.

Comme d’autres l’ont déjà noté, les exigences de l’application sont plutôt extrêmes et la technologie au lithium a besoin de beaucoup de développement et de soins particuliers pour pouvoir remplir de manière fiable et sécurisée le rôle de batterie de démarrage / accessoire dans un véhicule automobile. Les prix sont extrêmement élevés - facilement dix à vingt fois le coût d’une batterie au plomb normale. La plupart des gens ne veulent pas payer 1000 $ pour la batterie de leur voiture, alors ils ne le font pas.

La réponse est très simple: parce que nous n'avons rien trouvé de mieux.

Une batterie de voiture doit supporter sa charge sur une longue période, pouvoir délivrer un courant énorme et s'intégrer dans un petit espace. Et cela aiderait si ce n'est pas trop cher.

L'acide au plomb reste la meilleure solution pour ces exigences.

Vous pouvez utiliser une chimie à base de lithium, ils peuvent contenir la charge et délivrer des courants importants. Ils sont également beaucoup plus chers, sensibles à la température, nécessitent plus de soins électriques et sont plus spectaculaires s’ils sont mal manipulés électriquement ou mécaniquement.
Les coûts et la complexité supplémentaires ne valent tout simplement pas les avantages d’une réduction <1% de la masse finale des voitures.

J'ai vu que vous avez ajouté une nouvelle question à la fin de votre message:

Pourquoi les progrès technologiques n'ont-ils pas été en mesure de les rendre plus légers et plus efficaces?

Parce que ce n'est pas comme ça que la chimie fonctionne.

La capacité d'un seul type de batterie est définie en grande partie par la quantité d'ions que vous avez - c'est-à-dire que, dans le cas des batteries au plomb-acide, vous disposez de la masse de plomb dont vous avez besoin, plus de certaines pour garder la structure intacte.

Maintenant, d'autres types de batteries souffrent d'un manque de surface ou d'une mobilité ionique limitée qui limite leur capacité à générer un courant élevé, mais vous ne pouvez pas faire grand chose pour augmenter cela pour la batterie au plomb-acide - l'eau est un excellent support pour la batterie. produits chimiques en cause, et la capacité actuelle d’achat d’une batterie au plomb est à son maximum.

Par conséquent, il s'agit simplement d'une technologie mature. Tout comme nous n'avons pas beaucoup amélioré l'acier de construction à bas prix au cours des 80 dernières années, il n'y a pas grand-chose à faire avec les batteries plomb-acide pour les améliorer sans abandonner le principe plomb-acide, avec tous les problèmes que ma deuxième réponse explique .

L'utilisation d'un supercondensateur comme batterie de démarrage est tout à fait envisageable et a été expérimentée par des enthousiastes, voir exemple . Outre le prix plus élevé, quelques exemples de difficultés pratiques sont rapportés:

• Le Supercap seul, en démarrant la voiture plus facilement que la batterie au plomb, se décharge en environ une demi-heure d’écoute de la radio s’il n’est pas chargé en permanence.
• La batterie au lithium connectée directement + le supercapot ne souffrent pas de ce qui précède, mais ils ont été endommagés lorsqu’il l’a utilisée pour démarrer une tondeuse à gazon - la batterie Li aurait besoin de composants électroniques supplémentaires pour éviter cela.

Principalement une raison: le prix. Il existe des alternatives techniquement meilleures, telles que les batteries lithium-ion utilisées dans les voitures électriques, mais elles sont également beaucoup plus chères. Ces batteries sont absolument nécessaires dans les voitures électriques nécessitant une capacité énorme sans augmenter considérablement le poids du véhicule (les batteries au plomb seraient trop lourdes si elles devaient remplacer le réservoir de carburant comme unique source d'énergie pour la voiture), mais Pour les voitures à essence, le poids d'une seule batterie au plomb classique utilisée uniquement pour démarrer le moteur, par rapport au poids de la voiture, n'est pas significatif, tandis que le rapport prix / capacité est considérablement plus bas. C'est une question de coût / efficacité: ils sont moins chers, ils fournissent assez d'énergie pour les besoins de la voiture et son poids n'est pas pertinent.