Respec­tive­ment pro­fesseur des uni­ver­sités et maître de con­férences, Christophe Forgez et Nico­las Damay sont chercheurs au sein du lab­o­ra­toire Rober­val. Spé­cial­isés en mod­éli­sa­tion, ils tra­vail­lent notam­ment sur des pro­jets autour de la bat­terie sodi­um-ion. Une tech­nolo­gie inno­vante alliant, entre autres, souci de sou­veraineté et souci d’impact environnemental.

À son arrivée à l’UTC, en 1999, en tant que maître de con­férences, Christophe Forgez était rat­taché au lab­o­ra­toire d’électromécanique de Com­piègne (LEC) qui a depuis fusion­né avec Rober­val. Un lab­o­ra­toire spé­cial­isé dans les sys­tèmes à énergie élec­trique embar­quée avec deux fortes com­pé­tences : l’une sur les machines élec­triques et la sec­onde sur les con­ver­tis­seurs de puis­sance, mais il man­quait la com­posante bat­terie en tant que source d’énergie.

C’est ain­si que, dès le début des années 2000, il s’intéressa à divers­es prob­lé­ma­tiques liées aux tech­nolo­gies des bat­ter­ies et par­ti­c­ulière­ment à leur mod­éli­sa­tion afin de les inté­gr­er dans le con­trôle de la chaîne de trac­tion. Des recherch­es qui l’ont con­duit à nouer des parte­nar­i­ats tant académiques qu’industriels à une époque où on ne par­lait pas encore de véhicule élec­trique mais de véhicule hybride. « C’est ain­si que, dans le cadre du lab­o­ra­toire com­mun avec Valéo, on a com­mencé à tra­vailler sur des sys­tèmes “ Mild Hybrid” qui con­sti­tu­aient en somme les prémices de l’hybridation », dit-il.

Par la suite, Christophe Forgez et son équipe en sont venus, tout naturelle­ment, à éval­uer égale­ment les per­for­mances des dif­férents mod­èles de bat­ter­ies, puisqu’elles doivent répon­dre aux besoins des appli­ca­tions d’hybridation. « Nous avons noué une pre­mière col­lab­o­ra­tion avec le LRCS, un lab­o­ra­toire d’électrochimie à Amiens dirigé à l’époque par le pro­fesseur Taras­con, dans le cadre du pro­jet région­al DIVA (Diag­nos­tic de véhicule avancé), con­sacré à la mod­éli­sa­tion des bat­ter­ies. Il s’agissait, pour notre part, au tra­vers de cette col­lab­o­ra­tion, de com­pren­dre les phénomènes élec­trochim­iques qui se passent au cœur de la bat­terie afin de les traduire avec nos pro­pres out­ils de mod­éli­sa­tion. Nous avons pu ain­si met­tre en place une pre­mière struc­ture de mod­èles à con­stante local­isée par des sché­mas élec­triques équiv­a­lents des phénomènes élec­trochim­iques internes », explique-t-il.

Des compétences nouvelles

Au fur et à mesure que le lab­o­ra­toire accueil­lait de nou­velles com­pé­tences, de nou­velles prob­lé­ma­tiques liées aux bat­ter­ies ont été explorées. Ils ont com­mencé à tra­vailler sur l’estimation de grandeurs internes comme l’état de charge, par exem­ple. Un domaine qui intéresse les indus­triels et par­ti­c­ulière­ment les con­struc­teurs auto­mo­biles. « Dans une bat­terie, on peut mesur­er la ten­sion ou le courant entrant, mais il n’y a pas de cap­teur pour éval­uer son état de charge. Nous avons ain­si, dans le cadre d’une thèse, dévelop­pé un mod­èle qui rend compte de l’état de charge avec une grande pré­ci­sion. On par­le d’observateur d’état de charge », assure Christophe Forgez.

La preuve de con­cept sur l’observateur de l’état de charge ayant été faite avec la pre­mière thèse, une sec­onde a été lancée en parte­nar­i­at avec Renault pour amélior­er les esti­ma­teurs d’état de charge. « Les pre­mières voitures élec­triques dis­po­saient d’importantes réserves d’énergie masquées à l’égard de l’utilisateur afin d’éviter l’anxiété de la panne sèche. En effet, les con­struc­teurs de véhicules sécuri­saient une réserve d’énergie dont seule une par­tie était util­isée. Une pré­cau­tion néces­si­tant plus de bat­ter­ies, donc plus de poids et un sur­coût. Les esti­ma­teurs que l’on a pro­posés, inté­grés au BMS (bat­tery man­age­ment sys­tem), devaient garan­tir avec une grande pré­ci­sion la fin de la décharge. Ce qui a per­mis au con­struc­teur de réduire la masse embar­quée et con­tribué à aug­menter l’autonomie. Il faut savoir toute­fois que la capac­ité d’une bat­terie dimin­ue avec l’âge du véhicule. Il faut donc réadapter les paramètres en temps réel », détaille-t-il.

Mais la tech­nolo­gie des bat­ter­ies est mul­ti­physique et néces­site un cou­plage entre les phénomènes élec­trochim­iques et la ther­mique. D’où le parte­nar­i­at noué avec l’entreprise E4V (Ener­gy for Vehi­cles), con­cep­teur et fab­ri­cant de bat­ter­ies pour les appli­ca­tions de mobil­ité. Une entre­prise acquise, en 2024, par Arts Ener­gy, un acteur majeur du stock­age de l’énergie élec­trique. « Il s’agissait de déter­min­er un mod­èle ther­mique pour la bat­terie étant don­né que celle-ci chauffe lors de la charge ou de la décharge. En out­re, plus elle chauffe, plus elle vieil­lit rapi­de­ment. E4V voulait s’assurer si les packs de bat­ter­ies qu’elle fab­rique pou­vaient tenir dans cer­taines appli­ca­tions. Quel est l’optimum de chaleur à définir ? Fal­lait-il revoir le sys­tème de refroidisse­ment ou aug­menter le nom­bre de cel­lules, par exem­ple ? Telle était la prob­lé­ma­tique con­fiée à Nico­las Damay par l’entreprise », précise-t-il.

Vieillissement des batteries

C’est dans le cadre de sa thèse que Nico­las Damay a tra­vail­lé avec E4V. « Grâce à des mod­èles, il s’agissait de prédire l’évolution des tem­péra­tures. La tem­péra­ture ayant été iden­ti­fiée, dans nom­bre de pro­jets nationaux aux­quels l’UTC a par­ticipé, comme un des fac­teurs prin­ci­paux du vieil­lisse­ment des bat­ter­ies. Toute­fois, pour bien analyser la ther­mique, il fal­lait égale­ment étudi­er les pro­priétés élec­trochim­iques et dévelop­per des mod­èles qui soient fiables durant toute la durée d’utilisation de la bat­terie », estime-t-il.

Con­statant l’imbrication des phénomènes élec­trochim­iques et ther­miques, Nico­las Damay a décidé, lors de son post-doc et plus tard en tant que maître de con­férences, d’aller plus loin. « Mon idée était que, si dans les mod­èles dévelop­pés, on était capa­bles par exem­ple de pré­cis­er l’état de charge d’une bat­terie, on devrait égale­ment être capa­bles d’en analyser d’autres com­posantes plus fines. Ain­si, si on s’intéresse au vieil­lisse­ment, on con­state que les dégra­da­tions com­men­cent dès le début de vie de la bat­terie. Le suivi fin de ces dégra­da­tions n’est pas évi­dent, puisqu’il s’agit de phénomènes locaux. Détecter ce qui se passe au niveau des élec­trodes par exem­ple sans ouvrir la bat­terie posait, à mes yeux, un cer­tain nom­bre de chal­lenges », explique-t-il.

Par­mi les caus­es du vieil­lisse­ment ? « C’est la crois­sance d’une couche de pas­si­va­tion sur l’électrode néga­tive (SEI : sol­id elec­trolyte inter­phase) sous l’effet notam­ment de hautes tem­péra­tures qui va être respon­s­able de la perte d’autonomie de la bat­terie dans les pre­mières années. Com­ment détecter l’impact de cette SEI et en prédire l’évolution juste en mesurant la ten­sion du courant ? C’est ain­si que l’on a dévelop­pé un mod­èle inté­grant plus de physique et capa­ble de détecter l’évolution de ce phénomène », dit-il.

Des technologies diverses

Une prob­lé­ma­tique de recherche qui a don­né lieu à plusieurs pub­li­ca­tions. « Nous avons dû égale­ment véri­fi­er que le mod­èle s’adapte à dif­férentes chimies. Le lithi­um-ion, par exem­ple, con­stitue une famille d’objets de chimies très dif­férentes. Si les ions lithi­um cir­cu­lent d’une élec­trode à l’autre, les matéri­aux d’électrode stock­ant ces ions dif­fèrent selon les bat­ter­ies. Ces matéri­aux peu­vent être à base de man­ganèse, de nick­el ou de cobalt, qui sont très per­for­mants mais qui posent des prob­lèmes tant en matière d’abondance sur Terre que d’approvisionnement. Ils peu­vent être égale­ment de phos­phate de fer, plus abon­dants. Les ions lithi­um peu­vent aus­si être rem­placés par des ions sodi­um. Ain­si, Tia­mat, un spin-off du LRCS à Amiens, a mis au point une bat­terie basée sur la tech­nolo­gie sodi­um-ion avec cette par­tic­u­lar­ité : les matéri­aux util­isés sont, là aus­si, plus abon­dants et plus acces­si­bles à l’Europe. Actuelle­ment les per­for­mances de cette bat­terie sont légère­ment inférieures aux bat­ter­ies lithi­um-fer-phos­phate (LFP) util­isées dans les véhicules élec­triques mais elle se pose d’ores et déjà comme une con­cur­rente de cette dernière. Actuelle­ment, une giga-usine en parte­nar­i­at avec Stel­lan­tis est en phase de con­struc­tion près d’Amiens avec une ligne de pro­duc­tion dédiée aux bat­ter­ies de Tia­mat. La pre­mière tranche est prévue pour 2027 », précise-t-il.

Par­mi les spé­ci­ficités des recherch­es sur les bat­ter­ies à l’UTC ? « Ailleurs, les travaux des lab­o­ra­toires de chimie por­tent sur des bat­ter­ies de lab­o­ra­toire qui sont des­tinées à la mise au point des matéri­aux et des procédés de fab­ri­ca­tion. À l’UTC, on utilise les con­nais­sances accu­mulées par les élec­trochimistes pour amélior­er le diag­nos­tic et le pronos­tic étab­lis sur des objets en for­mat com­mer­cial. Cela nous per­met d’établir des liens entre con­nais­sances plus fon­da­men­tales et les besoins des inté­gra­teurs », assure Nico­las Damay.

Divers­es tech­nolo­gies sont util­isées dans la fab­ri­ca­tion des bat­ter­ies dédiées à l’électromobilité. « Actuelle­ment, de plus en plus de véhicules élec­triques fonc­tion­nent avec des bat­ter­ies LFP, une tech­nolo­gie moins chère que les autres tech­nolo­gies lithi­um-ion. En effet, le LFP néces­site moins de pré­cau­tion par­ti­c­ulière dans le proces­sus de fab­ri­ca­tion, ce qui le rend moins coû­teux à pro­duire. La Chine est leader dans ce domaine. Il y a égale­ment la tech­nolo­gie basée sur le NMC (nick­el-man­ganèse-cobalt), dotée de très hautes per­for­mances, mais ce sont des matéri­aux très cri­tiques en matière d’abondance, de local­i­sa­tion géo­graphique et donc de sou­veraineté. Demain, avec une plus grande matu­rité indus­trielle, la tech­nolo­gie sodi­um-ion de Tia­mat pour­rait offrir une réelle alter­na­tive, par­ti­c­ulière­ment dans le seg­ment occupé actuelle­ment par les tech­nolo­gies LFP. La tech­nolo­gie Tia­mat cumule plusieurs avan­tages. Tout d’abord, l’utilisation du sodi­um que l’on trou­ve partout, ce qui n’est pas nég­lige­able tant en matière de sou­veraineté que d’impact envi­ron­nemen­tal. De plus, elle est plus per­for­mante en charge rapi­de et enfin elle dure plus longtemps puisqu’elle tient plus de dix mille cycles (charge-décharge) là où la plu­part des tech­nolo­gies lithi­um-ion en tien­nent quelques mil­liers », explique Nico­las Damay.

Dans l’aéronautique, un objec­tif de décar­bon­a­tion est fixé à l’horizon 2040. « Pour tenir cet objec­tif, des pro­jets d’hybridation de tur­bines sont à l’étude, ain­si que des motori­sa­tions tout élec­trique (E‑Fan d’Airbus, VTOL pour Ver­ti­cal Take-Off & Land­ing, etc.). Le secteur aéro­nau­tique s’intéresse donc de plus en plus aux tech­nolo­gies lithi­um-ion comme source d’énergie embar­quée. C’est dans ce con­texte que nous col­laborons avec Safran depuis 2013. Le fer­rovi­aire est égale­ment un autre secteur qui s’intéresse aux nou­velles tech­nolo­gies de bat­ter­ies pour ses motri­ces et son réseau, secteur avec lequel nous col­laborons égale­ment », assure Christophe Forgez.

Le défi de la charge rapide

Avec l’essor de l’électromobilité, une course à la charge rapi­de s’est engagée. Un domaine où l’UTC est par­tie prenante. « Dans nos travaux, nous arrivons à car­ac­téris­er la bat­terie d’un point de vue ther­mique et élec­trochim­ique, mais nous avons égale­ment les com­pé­tences pour définir les per­for­mances lim­ites de la bat­terie. Nous tra­vail­lons actuelle­ment sur la prob­lé­ma­tique de la charge rapi­de, voire ultra-rapi­de. Un domaine qui intéresse nom­bre d’industriels de l’électromobilité mais aus­si des réseaux élec­triques. Ain­si, dans le cadre d’une thèse, nous avons réus­si à charg­er par 20 °C, 30 % une cel­lule en deux min­utes », souligne Christophe Forgez.

Un enjeu pour nom­bre d’acteurs soucieux d’offrir tou­jours plus de ser­vices aux util­isa­teurs. « Nous tra­vail­lons sur la tech­nolo­gie sodi­um-ion qui a un autre avan­tage : celui de per­me­t­tre des charges plus rapi­des. De fait, on pour­rait aboutir à un marché où cohab­iteront des véhicules avec une grande autonomie mais qui ne peu­vent se charg­er rapi­de­ment et des véhicules à plus faible autonomie mais qui, inverse­ment, pour­ront se charg­er en quelques min­utes. Ain­si, des chargeurs dif­féren­ciés pour­raient être déployés. Sur les park­ings des grandes sur­faces, par exem­ple, ils n’auront pas besoin d’être à charge rapi­de puisque les clients restent rel­a­tive­ment longtemps. À l’inverse, sur les aires d’autoroute, il devrait y avoir les deux car il y aura les auto­mo­bilistes qui s’arrêtent pour se repos­er et peu­vent se sat­is­faire d’une charge plus lente, mais aus­si ceux qui font une halte juste pour charg­er leur véhicule et auront donc besoin d’une charge rapi­de », estime Nico­las Damay.

MSD