Évolution des batteries pour véhicules électriques :
Le marché des véhicules électriques (VE) poursuit sa tendance vers des batteries à densité énergétique plus élevée. Bien que la densité énergétique moyenne du marché ait légèrement diminué depuis 2020 en raison du retour en force des batteries LFP, le pourcentage de la batterie occupé par ces cellules a augmenté, atténuant ainsi l’impact de l’adoption de cette chimie de cellules à plus faible densité énergétique.
L'augmentation de la proportion de piles LFP a réduit la densité énergétique moyenne des cellules, mais l'efficacité du conditionnement a continué de progresser rapidement, contribuant à compenser cette diminution au niveau du pack. Source : IDTechEx (Figure 1)
La tendance à une efficacité accrue des batteries s'explique en partie par des améliorations progressives, mais aussi par l'adoption croissante des conceptions « cellule à cellule » et « cellule à corps » observée en 2022. La batterie Blade de BYD a connu une forte accélération de son déploiement en 2022, la part de marché de BYD sur le marché chinois des véhicules électriques devant atteindre environ 25 % au premier semestre. Cette conception « cellule à cellule » signifie que chaque cellule prismatique occupe toute la largeur du pack. En 2022, Tesla a également lancé ses premiers véhicules utilisant les cellules de batterie 4680 à haut rendement et une conception de pack structurelle dans laquelle les cellules sont fixées directement au couvercle de la batterie. Ces modifications de conception améliorent considérablement la densité énergétique en éliminant les matériaux auxiliaires qui ne contribuent pas directement aux performances de la batterie. Plusieurs constructeurs automobiles (OEM) ont annoncé leur intention de mettre en œuvre des conceptions « cellule à pack » ou « cellule à corps » dans les années à venir, notamment des groupes comme Volkswagen, Stellantis et d'autres.
Protection contre l'incendie dans la conception future des batteries :
Malgré l'élimination et la réduction des matériaux dans les batteries de véhicules électriques, certains resteront indispensables à leur conception pour des performances optimales. Il s'agit notamment de la stratégie de gestion thermique (plaques froides, fluides de refroidissement, etc.) et, plus particulièrement en 2022, des matériaux de protection contre l'incendie. Comme en 2021, les incendies de véhicules électriques ont fait la une des journaux, mais ils constituent aujourd'hui plus que jamais un moteur d'innovation en matière de matériaux. Bien que les incendies soient rares et moins probables que dans un véhicule à moteur thermique, les batteries lithium-ion, quelle que soit leur composition chimique ou leur format, présentent un risque non nul d'emballement thermique et d'incendie. En 2021, plusieurs rappels liés au risque d'incendie de batterie ont été émis par les principaux constructeurs automobiles (OEM), tels que GM, Hyundai, VW et autres. En 2022, l'Inde a connu une forte augmentation de l'attention portée aux incendies de batteries dans les deux-roues électriques, ce qui a conduit à l'adoption de normes de sécurité spécifiques relatives à divers facteurs de conception des batteries.
Face à l'attention accrue du public et à la mise en œuvre imminente de réglementations sur la sécurité en cas d'emballement thermique dans plusieurs régions, les fabricants d'équipement d'origine (OEM) sont contraints d'examiner plus attentivement les matériaux utilisés pour la protection contre l'incendie. La tendance, déjà évoquée, à l'empilement de cellules et à l'augmentation de la densité énergétique des batteries représente un défi en matière de protection contre l'incendie. L'augmentation de la densité énergétique réduit l'espace disponible pour les matériaux additifs, incitant les fournisseurs à se concentrer sur les matériaux multifonctionnels. Par exemple, les aérogels gagnent des parts de marché grâce à leurs propriétés d'isolation thermique, de protection contre l'incendie et de compressibilité. En 2022, Aspen Aerogels a été désigné fournisseur de la plateforme Ultium de GM, et son matériau PyroThin a généré 18,4 millions de dollars de revenus au premier semestre 2022, contre 6,7 millions pour l'ensemble de l'année 2021. Rogers Corporation, acteur majeur de la fourniture de coussins en mousse de compression pour les batteries à cellules souples, a annoncé en 2022 ses matériaux EV ProCell Firewall, qui assurent à la fois la protection contre l'incendie et la gestion de la compression (essentielle pour les batteries à cellules souples). Fin 2021, l'acquisition de Rogers par DuPont était présentée comme l'une des plus importantes du secteur des matériaux de ces dernières années. Cependant, cette acquisition a été annulée fin 2022, DuPont n'ayant pas obtenu l'approbation de tous les organismes de réglementation compétents.
D'autres matériaux peuvent être utilisés selon le format des cellules et selon qu'une solution intercellulaire et/ou au niveau du pack soit requise. À partir de 2023, avec l'expansion rapide du marché des véhicules électriques, plusieurs de ces matériaux connaîtront une forte croissance de la demande. IDTechEx prévoit que la demande de matériaux de protection contre l'incendie sera multipliée par treize d'ici 2033. Le dernier rapport d'IDTechEx, « Matériaux de protection contre l'incendie pour batteries de véhicules électriques 2023-2033 », analyse les tendances en matière de conception des batteries, les réglementations de sécurité et leur impact sur les matériaux de protection contre l'incendie. Le rapport compare les matériaux entre eux et pour leurs applications au sein des packs de batteries. Parmi les matériaux analysés figurent les couvertures et feuilles céramiques (et autres matériaux non tissés), le mica, les aérogels, les revêtements (intumescents et autres), les encapsulants, les mousses d'encapsulation, les coussins de compression, les matériaux à changement de phase et bien d'autres. Des prévisions de marché sur dix ans sont incluses pour chaque matériau et catégorie de véhicule.
De nombreux matériaux peuvent être utilisés pour la protection contre l'incendie, chacun présentant des avantages et des inconvénients en fonction de la conception de la batterie.
Évolution des matériaux d'interface thermique dans les batteries de véhicules électriques
Les matériaux d'interface thermique (TIM) sont un composant fondamental de la grande majorité des batteries modernes pour véhicules électriques. Ils contribuent à dissiper la chaleur des cellules vers le système de refroidissement (boîtiers de modules, système de refroidissement, plaques/canaux froids). Actuellement, dans la plupart des applications, les cellules de batterie sont placées sur un TIM de remplissage à l'intérieur d'un module ; plusieurs de ces modules sont ensuite placés sur un autre TIM de remplissage pour assurer le contact avec la plaque froide refroidie par liquide située en dessous. Cette approche a évolué dans certaines conceptions plus récentes, notamment pour les batteries intégrées.
Le concept repose sur le contact direct des cellules avec la plaque froide via un matériau d'interface thermique (TIM) unique, réduisant ainsi le nombre d'interfaces et améliorant le transfert de chaleur. La réduction du nombre d'interfaces permet de diminuer la conductivité thermique du TIM et, par conséquent, d'en réduire la quantité nécessaire. Dans un premier temps, cela pourrait permettre de diminuer le poids et le coût du TIM et de faciliter sa distribution. Cependant, la suppression des boîtiers de modules (ou structures similaires) implique que le TIM doit désormais jouer un rôle structurel. Ceci représente une opportunité importante pour les adhésifs thermoconducteurs.
Bien que (comme mentionné précédemment) les matériaux entourant les cellules de la batterie soient progressivement éliminés afin d'augmenter la densité énergétique, le matériau d'interface thermique (TIM) demeure un élément essentiel, offrant des propriétés multifonctionnelles qui contribuent à la gestion thermique et à la structure de la batterie. Avec des cellules plus grandes, le champ d'application du TIM pourrait se restreindre dans certaines conceptions, mais IDTechEx prévoit plus de 2 TWh de batteries refroidies par liquide ou par fluide caloporteur d'ici 2031, ce qui représentera une croissance considérable pour le TIM, ainsi que pour les autres composants et matériaux de gestion thermique.
Combinaison de la gestion thermique et du blindage électromagnétique dans les systèmes 5G et ADAS
Plusieurs secteurs industriels se tournent vers les hautes fréquences. Deux exemples clés en sont les télécommunications 5G, pour des débits de transfert de données plus élevés, et les radars automobiles, pour une détection à plus haute résolution. À ces hautes fréquences, le blindage contre les interférences électromagnétiques (IEM) devient plus complexe avec les méthodes traditionnelles. Face à cette difficulté, combinée à la densité et à la puissance croissantes des composants, les matériaux capables d'assurer à la fois la gestion thermique et le blindage IEM deviennent une solution de plus en plus intéressante.
Le déploiement de la 5G est bien avancé, mais l'infrastructure à haute fréquence, les ondes millimétriques (> 24 GHz), n'en est qu'à ses débuts. En 2022, la grande majorité de l'infrastructure 5G se situait dans les bandes de fréquences basses, inférieures à 6 GHz. Cependant, IDTechEx prévoit une multiplication par 70 du déploiement des petites cellules à ondes millimétriques d'ici 2033. L'infrastructure à ondes millimétriques présente plusieurs défis liés à la propagation du signal, mais aussi, la fréquence plus élevée implique des antennes plus petites et plus denses, ce qui complexifie la gestion thermique et le blindage contre les interférences électromagnétiques.
Le radar automobile est un composant essentiel des systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et un élément clé du développement des futurs véhicules autonomes. Les radars automobiles précédents fonctionnaient principalement à 24 GHz. Depuis, le marché s'est largement orienté vers des fréquences supérieures à 77 GHz. Cette évolution améliore la résolution, mais exige également une antenne plus compacte et, par conséquent, un radar plus petit. Ces radars haute fréquence devraient devenir la technologie dominante à l'avenir. IDTechEx estime que plus de 90 % des radars automobiles fonctionneront dans la bande des 77 GHz d'ici 2030. Dans ces conceptions, la compacité du dispositif et l'utilisation de signaux à haute fréquence posent des défis en matière de gestion thermique et de blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI).
Le blindage EMI traditionnel consiste généralement en un blindage métallique au niveau de la carte (BLS) placé sur le composant, avec un matériau d'interface thermique (TIM) entre le composant et le blindage, et un autre entre le blindage et un dissipateur thermique. Ces blindages comportent souvent des perforations pour faciliter la dissipation de la chaleur, mais à hautes fréquences (longueurs d'onde plus courtes), cela réduit considérablement leur efficacité EMI. De plus, la présence de plusieurs interfaces entre le composant et le dissipateur thermique diminue sensiblement l'efficacité du transfert de chaleur. Plusieurs fabricants de matériaux ont développé une solution à ces problèmes : un TIM qui possède également des propriétés de blindage EMI.
Un blindage EMI combiné à un matériau d'interface thermique (TIM) peut remplacer plusieurs TIM et un blindage au niveau de la plaque (BLS). Source : IDTechEx
Plusieurs fabricants, tels que Henkel, Kitagawa et Schlegel, ont commercialisé des matériaux d'interface thermique (TIM) faisant également office de blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI). Parmi les solutions innovantes de 2022, on peut citer le CoolZorb D de Laird. À l'instar d'autres produits similaires, il combine blindage EMI et TIM, mais se distingue par sa conception monobloc et consommable. Ce matériau offre une conductivité thermique de 3,5 W/mK et une forte atténuation, notamment au-delà de 20 GHz. Sa nature consommable le rend potentiellement plus adapté à la production en grande série, contribuant ainsi à l'automatisation du processus. Bien que ces solutions combinant blindage EMI et TIM soient plus onéreuses qu'un TIM classique, la possibilité de retirer le matériau absorbant les interférences électromagnétiques permet de réduire le coût global du dispositif et de simplifier sa fabrication.
La 5G et les radars automobiles sont deux marchés en forte croissance qui évoluent vers des fréquences plus élevées. IDTechEx prévoit plus de 12 millions de stations de base 5G d'ici 2032 qui nécessiteront une gestion thermique, et que la valeur annuelle du marché des matériaux d'interface thermique (TIM) pour les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) sera multipliée par onze au cours des dix prochaines années.
