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DEFI SUR LE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE ASSOCIE A DES ROBOTS TELECOMMANDES (DESCARTES)
Edition 2013


LIBOB


Batterie Haute Energie pour Robot Télécommandé

Batterie Haute Energie pour Robot Télécommandé
Accumulateur haute énergie (300Wh/kg) intégrant un nouveau couple électrochimique (Li rich/Si-C) dans le respect de REACH ainsi que de la sécurité de l’utilisation de cette source d'énergie

Développement d'une batterie haute énergie pour une application de robot terrestre mobile
Le projet LiBOB (Light roBOt Battery) répond au défi stockage de l’énergie DESCARTES (DEfi sur le Stockage électro-Chimique Associé à des Robots TElécommandéS), mené en partenariat avec la DGA (Direction Générale de l’Armement).Le défi DESCARTES s’inscrit dans une démarche d’innovation et de développement de la dynamique de la recherche pour l’amélioration des performances du stockage de l’énergie électrique (batteries électrochimiques, supercondensateurs, piles à combustibles, ou leur hybrides, etc.), susceptible de trouver des applications tant civiles que militaires.
Ce projet vise à faire la démonstration à l’échelle d’un drone terrestre d’une nouvelle technologie de batterie Li-ion à haute densité d’énergie associant des matériaux innovants à la positive et la négative : l’oxyde lamellaire surlithié (dit Li-rich), matériau de très forte capacité spécifique, et le silicium dans un composite avec le carbone. La première année est consacrée à la démonstration des performances à l’échelle cellule unitaire, pour ensuite développer un module selon les spécifications de la DGA la deuxième année, et enfin le tester en situation réelle la troisième année.

Développer et réaliser des cellules Li-ion haute énergie; Améliorer la cyclabilité de la technologie; Assembler un pack opérationnel pour le robot
La technologie Li-rich / silicium présente des nombreux avantages, avec en particulier une densité d’énergie pouvant dépasser les 300Wh/kg. Cependant deux points au moins sont à améliorer : les performances en puissance sont limitées par la réponse de l’électrode positive et la négative composite silicium limite la durée de vie en cyclage profond. Pour le premier point diverses approches sont possibles : au niveau matériau des éléments d’alliage peuvent améliorer la conductivité. Au niveau électrode la formulation peut être optimisée par l’ajout d’un autre matériau d’électrode plus conducteur. D’autre part pour améliorer la cyclabilité de la négative on peut limiter la capacité utilisée du silicium en jouant sur le grammage d’électrode ou les bornes de cyclage.
Les ordres de grandeurs, étant donné la tension du module visé, indiquent qu’il faut mettre en série entre 4 et 6 éléments de 3,2V. Le courant de décharge de 8A continu, compte tenu des performances de la technologie, implique la mise en place de quatre éléments en parallèle pour 18Ah environ, qui conduirait à une autonomie de plus de deux heures. On peut donc envisager un module en configuration 5S4P avec des cellules de 4.5Ah, sous réserve que les dimensions du caisson batterie le supportent.
Afin de tester différentes hypothèses de dimensionnement, des simulations ont été faites :
L’effet de l’ajout de LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 au Li-rich de référence CEA en proportion ½ en fonction de la borne de cyclage supérieur a été simulée.

Résultats

-Mise au point de cellule Li-ion Li-rich/SiC et blend/SiC de 300Wh/kg
-Plan d’optimisation du Li-rich substitué
-Réalisation d’une négative graphite très fortement grammée (16mg/cm²) pour être compatible avec les fortes capacités surfacique Li-rich

Perspectives

Cette première année a permis de vérifier différentes hypothèses afin de définir la meilleure configuration de prototype possible pour être intégrée dans un drone. Les études matériaux ont permis de valider le Li-rich de référence CEA et le composite SiC 60/40 comme les meilleurs candidats, et les essais de formulation d’optimiser la mise en œuvre des électrodes. Les essais en prototype ont permis de s’assurer de la conformité des performances avec celles attendues.
Il reste à présent à ajuster la définition des cellules pour correspondre au cahier des charges spécifique qui sera fourni pour l’application.
A partir de cette conception de cellule, le module sera conçu mécaniquement et son système de gestion BMS adapté à l'interface du robot.

Productions scientifiques et brevets

A venir

Partenaires

 AGLO DEVELOPPEMENT

CEA/LITEN Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives

Aide de l'ANR 409 080 euros
Début et durée du projet scientifique - 36 mois

Résumé de soumission

Le présent projet est dédié au développement d'un module de batteries lithium à haute énergie pour des applications robots mobiles terrestres. Parmi plusieurs paramètres, la haute densité d'énergie spécifique (massique et volumique) est le critère le plus important pour les sources de puissance intégrées. Pour y parvenir, nous proposons une technologie lithium-ion prometteuse intégrant de nouveaux matériaux actifs à la fois pour l'électrode négative et l'électrode positive, en remplacement des cellules conventionelles basées sur les technologies Lithium Oxyde de Cobalt / Graphite, en visant 300 Wh/kg ou environ 700 Wh/L au niveau de la cellule. Ces matériaux sont sans cobalt, et en accord avec les conditions REACH.
Un pack batteries rechargeable, incluant les connexions entre cellules, le packaging et le système de gestion (BMS) sera spécifiquement réalisé et optimisé afin de démontrer l'intégration de ces technologies innovantes, permettant d'atteindre des voltages entre 12 et 20 V, pour une décharge en continu de 8A avec un pic de courant à 16A.
Cette technologie sera conçue pour démontrer une augmentation de l'autonomie de la batterie d'au moins 30% comparativement à la technologie concurrente actuellement intégrée tout en conservant un bon comportement en puissance, avec un nombre acceptable de cycles charge/décharge tout en répondant à un plan de tests issu des standards de qualification pertinents pour l'application.
La technologie proposée pour ce projet concerne une nouvelle chimie Li-ion actuellement en cours de recherche et développement afin de lever les verrous scientifiques et techniques nécessaire à sa commercialisation. Cette technologie est très prometteuse pour tous les secteurs ou l'energie embarquée reste un challenge comme pour les véhicules électriques, l'aéronautique ou les satelliltes. L'application militaire pourrait donc bénéficier de cette synergie avec d'autres secteurs de l'énergie.

 

Programme ANR : DEFI SUR LE STOCKAGE ELECTROCHIMIQUE ASSOCIE A DES ROBOTS TELECOMMANDES (DESCARTES) 2013

Référence projet : ANR-13-DESC-0003

Coordinateur du projet :
Madame Florence FUSALBA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives)

Site internet du projet : https://aap.agencerecherche.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.