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© CHRISTOF STACHE / AFP
batteries énergie
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Technologie

L’intelligence artificielle donne un coup d’accélérateur à la recherche sur les batteries

Publié le 16 octobre 2020
Une équipe de chercheurs de Stanford, du MIT et du Toyota Research Institute a mis au point une intelligence artificielle permettant de prédire les performances d’une batterie dès sa création. Quelles sont les perspectives de cette découverte ?
Jean-Pierre Corniou
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Jean-Pierre Corniou est directeur général adjoint du cabinet de conseil Sia Partners. Il est l'auteur de "1,2 milliards d’automobiles, 7 milliards de terriens, la cohabitation est-elle possible ?" (2012).
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Une équipe de chercheurs de Stanford, du MIT et du Toyota Research Institute a mis au point une intelligence artificielle permettant de prédire les performances d’une batterie dès sa création. Quelles sont les perspectives de cette découverte ?

Jean-Pierre Corniou : Les batteries sont au cœur d’une bataille technique et économique considérable. Selon les prévisions de l’Agence internationale de l’énergie, les ventes de véhicules électriques devraient atteindre, en 2030, 23 millions de véhicules et un stock cumulé de 130 millions de véhicules. Si les prévisions établies il y a dix ans étaient fondées sur des spéculations hasardeuses, et se sont révélées très optimistes, il est plus facile, après une décennie de montée en puissance lente des véhicules électriques, de prévoir leur expansion. En effet, aujourd’hui le marché s’est structuré, l’offre des constructeurs se diversifie et les plans de production incluent tous un nombre élevé de véhicules électriques, à batterie ou hybride rechargeable. Ce qui était encore un terrain vierge et incertain, encore sujet de sarcasmes, est devenu un marché de plus en plus robuste. Tous les constructeurs y sont désormais engagés, poussés par la réglementation qui ne cesse d’exiger une réduction massive des émissions de CO2.

Or la clef du marché des véhicules électriques, ce sont précisément les batteries. En effet, le prix d’un véhicule électrique à batteries est conditionné essentiellement par le coût des batteries, qui y contribuent pour 30 à 40%. Faire baisser le coût des batteries est donc l’objectif premier des constructeurs et de leurs partenaires fournisseurs de batteries.  La performance d’un VE dépend essentiellement de celle de ses batteries : poids, puissance, autonomie, fréquence de recharge, durée de vie opérationnelle représentent une équation complexe, multifacteurs, qu’il faut optimiser. Or la recherche est très active, tous les laboratoires de recherche comme les producteurs de batteries travaillent d’arrache-pied pour optimiser la composition physico-chimique des batteries.  L’enjeu est un marché de dizaines de milliards $.

Le prix des batteries a constamment baissé depuis 2010. Le prix du kWh était de 1000 $ en 2010. 350 $ en 2015 et 150$ en 2020. La cible à court terme est de 100 $ kWh et de 80 $ kWh en 2025 pour atteindre la parité de prix entre un véhicule thermique et une voiture électrique. Les matières premières constituent plus de la moitié du coût de la batterie, la cathode étant la plus coûteuse, soit 22% du coût total.

C’est dire que tout ce qui peut contribuer à accélérer le processus de recherche est vivement attendu par toutes les équipes qui travaillent sur les batteries dans le monde.

Atlantico.fr : Une équipe de chercheurs de Stanford, du MIT et du Toyota Research Institute a mis au point une intelligence artificielle permettant de prédire les performances d’une batterie dès sa création, comment est-ce possible et quel est l’intérêt de cette information ? L’intelligence artificielle peut-elle également permettre de mettre au point des batteries plus performantes que celles dont nous disposons actuellement ?

Jean-Pierre Corniou : Cette découverte des chercheurs du Toyota Research  Institute (TRI), du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de et de l’Université de Stanford est un des résultats d’un programme de recherche initié par le TRI, le programme « Accelerated Materials Design and Discovery «  doté d’un budget de 35 millions $. Toyota a créé ce laboratoire pour explorer le futur de « l’amplification de l’intelligence ».   Implanté aux États-Unis à Los Altos au cœur de la Silicon Valley, il dispose également d’équipes de recherche à Ann Harbor, dans le Michigan, et à Cambridge, dans le, conjuguant les capacités de recherche des meilleures universités technologiques des États-Unis et l’expertise automobile du Michigan.

L’objectif initial du projet de recherche était de trouver comment charger une batterie en 10 minutes. Pour obtenir les données nécessaires, les chercheurs ont chargé et déchargé des batteries jusqu’à leur fin de vie, observant une grande dispersion de la durée de vie entre 150 et 2300 cycles, que les modèles classiques ne permettaient pas d’expliquer, les prévisions étant médiocres et ne donnaient  que 9% de résultats de prévision corrects.

Les chercheurs se sont appuyés sur de très grands volumes de données – plusieurs centaines de millions de données d’après le TRI - pour explorer le comportement des batteries en entraînant un modèle à partir de machine learning. Ce sont des phénomènes complexes, car contrairement à l’image que l’on peut en avoir, une batterie pour véhicule électrique est un objet composite qui intègre de nombreux matériaux et éléments techniques. Les batteries sont assemblées en pack à partir de composants unitaires, les cellules. Tous ces éléments - composition de l’anode, de la cathode, de l’électrolyte et du séparateur - contribuent à la performance de la batterie de façon statique et dynamique.

Le résultat de la recherche a été de bâtir un modèle de prédiction de vie de batterie précis à 95%. Cette découverte est précieuse car elle permet de prévoir les comportements des composants dès la phase du design de la batterie, sans attendre les résultats de longues campagnes de test. Les données ont été rendues publiques et représentent un acquis fondamental pour les communautés de chercheurs.

Si le moteur à combustion interne fait l’objet d’études et d’améliorations continues depuis Gottlieb Daimler en 1884, les batteries pour véhicules électriques ont connu une longue traversée du désert jusque dans les années quatre vingt-dix avant que la généralisation des appareils électroniques portables fassent rapidement progresser l’industrie de l’énergie mobile grâce à l’utilisation du lithium.

Pour comprendre les progrès des batteries, et replacer l’intérêt de la découverte des chercheurs du TRI et de leurs collègues dans ce long processus d’amélioration, il est indispensable de remonter aux bases.

Les batteries fonctionnent sur un principe très simple connu depuis plus de deux siècles avec l’invention de la pile de Volta en 1800. Il s’agit de transformer de l’énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction d’oxyréduction. Des ions circulent au sein d’un liquide, l’électrolyte, entre une anode (-) et une cathode (+). Pendant la charge, à partir d’une source électrique externe, les ions se déplacent de la cathode vers l’anode. Pendant la décharge, les ions sont libérés par l’oxyréduction et se déplacent alors de l’anode vers la cathode.

Rappelons qu’un atome est électriquement neutre, le nombre de protons est égal au nombre d’électrons, l’électron est chargé négativement et le proton positivement. L’ion est un atome portant une charge électrique car le nombre d’électrons est différent du nombre de protons. Les anions sont des ions chargés négativement, qui ont donc gagné un ou plusieurs électrons,  les cations  ont perdu des  électrons et sont chargés positivement. Le terme « ion » a été proposé par Michael Faraday en 1834 et vient du grec  ioenai qui signifie « aller ».. 

Cette découverte a permis de développer de multiples applications d’utilisation de l’énergie portable à commencer par la plus ancienne, l’éclairage. Les chercheurs et les industriels travaillent depuis des décennies à optimiser ce processus, d’abord en l’ayant rendu réversible - ce sont les accumulateurs « rechargeables » -  puisque dans les piles alcalines le processus n’est pas réversible, puis en optimisant chaque paramètre pour améliorer les performances de la batterie.

La découverte de l’utilisation du lithium (Li) a révolutionné l’industrie. Le lithium est un métal assez abondant, même s’il n’existe pas à l’état pur et doit être transformé. Il est léger, à fort potentiel électrochimique et donc à haute densité d’énergie. Il possède trois électrons et trois protons et a la faculté de libérer facilement un électron.  Ces propriétés ont permis un développement considérable des batteries dans tous les usages mobiles et stationnaires et le démarrage de l’industrie du véhicule électrique.

La production du lithium vient de deux sources, les saumures de lacs salés en partie asséchés (« salars ») et le minerai. La production mondiale 2019 est de 70 000 T, pour les salars et 77 000 t pour le minerai. Cette production est concentrée en Australie, Chili et Argentine, mais de nombreux projets d’exploitation existent dans le monde, y compris en France. On estime les réserves connues à 17 millions de tonnes. Les piles et batteries représentent 65% de l’utilisation de la production mondiale de lithium. Il faut noter que le lithium contenu dans les piles et batteries est parfaitement recyclable., plusieurs usines fonctionnent déjà dans le monde. Une batterie de véhicule électrique contient de 7 à 15 kg de lithium, ce qui est marginal dans le poids des batteries.

Atlantco.fr : A plus long terme, que doit viser la science sur le sujet des batteries et quel va être le rôle de l’intelligence artificielle ?

Jean-Pierre Corniou : L’intelligence artificielle est un outil qui permet de traiter des données massives pour comprendre et anticiper des phénomènes complexes. L’IA est bien entendu un auxiliaire précieux des chercheurs pour traiter les données produites par le développement de l’industrie des véhicules électriques et anticiper les problèmes liés à sa croissance rapide. L’IA permet de comprendre les comportements de phénomènes complexes, ce qui  contribue à la conception de matériaux.

L’industrie mondiale des batteries est appelée à se développer de façon, exponentielle, et doit constamment sécuriser ses sources d’approvisionnement en lithium et chercher à améliorer l’efficacité industrielle et environnementale de la production et du recyclage de ce minerai. Il faut noter que l’utilisation du lithium dans les batteries est très exigeante en matière de pureté.

La découverte en 2019 au Mexique du plus grand gisement de lithium du monde, dans le désert de Sonora,  avec 243 millions de tonnes de réserves, a rassuré la profession qui s’apprête à multiplier par trois le production de lithium d’ici 2025.

L’industrie recherche également des alternatives au lithium, notamment les solutions sodium-ion et les laboratoires publient sans cesse des découvertes alimentant des hypothèses plus ou moins solides de remplacement du lithium au-delà de 2030. Dans l’immédiat, le lithium est jugé irremplaçable à grande échelle. L’objectif est donc d’en optimiser l’utilisation.

La recherche porte évidemment sur tous les comportements des batteries lithium-ion dans la durée. Cela fait désormais une décennie que roulent des voitures électriques avec des batteries Li-ion, ce qui donne aux chercheurs une vaste base d’expériences que la seule simulation ne permet pas d’acquérir.

Enfin, les travaux portent sur la composition de la cathode, 43% des coûts en matières des batteries.  Les cathodes ont des formules différentes selon les constructeurs et utilisent, sous forme d’oxydes, du cobalt, du nickel, de l’aluminium, du manganèse, du fer, matières dont les prix de revient et les conditions de production sont très différents. La simulation et l’expérimentation de combinatoires de ces éléments impliquent des travaux de calcul massifs.

Les découvertes de l’équipe de recherche du TIR et de leurs collèges apportent une pièce essentielle dans le développement de l’industrie des batteries : comprendre vite les comportements des batteries. Cela permet d’optimiser le design, la validation de test, la gestion de production et aussi la fin de vie des batteries en aidant au choix des batteries à recycler en gagnant un temps considérable à chaque étape. Pour une industrie dont le cycle de développement se compte en année, c’est une avancée vitale.

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