Avec le bi-level equalizer, Sandrine Mubenga veut optimiser et recycler les batteries lithium-ion à moindre coût
Invitée à la première édition de TEDxMontrouge, samedi 9 novembre, Sandrine Mubenga est une spécialiste de l'ingénierie électrique. Nommée ingénieure de l’année 2018 par l’IEEE, elle a développé, à l’Université de Toledo, aux Etats-Unis, un modèle hybride d’égaliseur de batteries lithium-ion. Une technologie prometteuse, avec un objectif : redonner une nouvelle vie aux batteries de voitures usagées.
Parmi les huit intervenants de la première édition des conférence TEDxMontrouge, ce samedi 9 novembre au Beffroi de Montrouge, en banlieue parisienne, il en est une dont le parcours résonne parfaitement avec le thème de la soirée : l’étincelle. Après avoir failli mourir à 17 ans d’une appendicite à cause du manque d’électricité à l'hôpital de Kikwit, en République démocratique du Congo, où elle vivait alors, Sandrine Mubenga a suivi des études d’ingénierie électrique à l’Université de Toledo, dans l’Etat de l’Ohio, aux Etats-Unis.
A partir de 2016, elle y a notamment développé le bi-level equalizer, un égaliseur hybride pour les batteries lithium-ion, « idéales à l’heure actuelle pour les voitures hybrides, électriques et les énergies renouvelables, par exemple, indique l’ingénieure, parce qu’en plus de leur prix qui ne fait que baisser ces dernières années, elles sont celles qui ont la meilleure capacité énergétique. C’est-à-dire que dans un petit volume, on peut stocker le plus d’énergie possible. »
La capacité d’une batterie dépend de celle de sa cellule la plus faible
Une batterie est composée de plusieurs cellules - ou accumulateurs électriques - connectées en série. Dès leur fabrication, chacune d’entre elles a une capacité de charge différente, mesurée en ampère-heure (Ah) : « Il n’y a pas deux cellules identiques qui sortent de l’usine du fait de légères différences dans leur résistance interne », détaille Sandrine Mubenga. Ces différences de capacité s’accroissent ensuite à cause de divers phénomènes de vieillissement des cellules comme le lithium plating, soit la formation de lithium métallique autour de l'anode des batteries lithium-ion pendant la charge.
Cette divergence de capacité des cellules au sein d’une même batterie a un impact sur l’ensemble car « la capacité de votre batterie entière est limitée par celle de la cellule la plus faible », ajoute l’ingénieure. Ce déséquilibre pourrait amener des problèmes de sécurité dus à la montée en tension plus rapide de la cellule la plus faible : « L’électrolyte, le liquide qui permet l’échange d’ions et d’électrons, est volatile et peut causer l’inflammation de la batterie », explique Sandrine Mubenga. Ce qui implique d’imposer au mécanisme un plafond de charge bien inférieur aux capacités maximales de la batterie et un seuil de décharge bien supérieur à 0%. La batterie est sous-exploitée.
Egaliseurs passifs vs égaliseurs actifs
Pour optimiser les batteries lithium-ion, « il faut absolument un égaliseur », indique Sandrine Mubenga. Ils sont indispensables. Aujourd’hui, il en existe deux types : les égaliseurs passifs et les égaliseurs actifs. Les premiers sont les plus courants car les moins chers - « un dollar par cellule », d’après l’ingénieure. « Ils n’agissent que pendant la charge et non pendant la décharge et surtout ne font que dissiper l'énergie et non la répartir dans les autres cellules. »
Les égaliseurs actifs eux, sont de véritables répartiteurs de charge : « Il y a une centaine d’architectures différentes mais, en général, un égaliseur actif est fait de telle sorte que l’on a besoin d’une unité de répartition par cellule, explique l’ingénieure. Ils sont certes plus efficaces - ils permettent d'augmenter la capacité d’une batterie d’environ 20-30% - mais aussi beaucoup plus onéreux : 10 dollars par cellule. »
Le bi-level equalizer, un égaliseur hybride efficace et bon marché
Développé par Sandrine Mubenga et son collègue de l’Université de Toledo, Thomas Stuart, qui a cosigné avec elle les articles de recherche sur le sujet, le bi-level equalizer est, comme son nom l’indique presque, un égaliseur qui emprunte autant aux modèles passifs qu’aux actifs.
« Nous procédons à une égalisation passive lors de la charge et d’une égalisation active lors de la décharge. Mais au lieu que chaque cellule soit égalisée par une unité du répartiteur de charge, nous divisons la batterie en groupes de cellules, que nous appelons sections, et nous plaçons une unité par section », détaille Sandrine Mubenga. Une innovation qui permet d’atteindre une optimisation de la capacité de la batterie similaire à celle d’un égaliseur actif (30%), revendique-t-elle, pour un coût de seulement 1,30 dollars par cellule.
Voici l'architecture du bi-level equalizer telle qu'elle est décrite par Sandrine Mubenga, Zachary Linkous et Thomas Stuart dans un article publié dans la revue Batteries en septembre 2017.
En 2016, lorsque Sandrine Mubenga et Thomas Stuart ont commencé à développer le bi-level equalizer en laboratoire, l’objectif initial était de le vendre aux constructeurs de véhicules hybrides et électriques. Mais, face aux industriels de ce secteur, les portes se sont toutes fermées devant eux : « L’automobile est un marché très fermé, déplore Sandrine Mubenga. Le problème est que beaucoup d’industriels rechignent à changer l’ensemble de leurs batteries, ce qui aurait un coût additionnel. » C’est pourquoi ils ont récemment développé un kit retrofit à ajouter sur les égaliseurs passifs et qui agit comme le bi-level equalizer.
Un marché idéal : le recyclage des batteries de voitures
Ils ont alors découvert un autre marché, plus prometteur pour leur invention : le recyclage des batteries de voitures « usagées ». « Quand on les jette, il leur reste encore 80% de leur capacité, insiste Sandrine Mubenga. Donc avec notre bi-level equalizer, on pourrait extirper cette capacité et les utiliser pour d’autres applications. » A partir de 2017, les chercheurs de l’Université de Toledo ont donc commencé à contacter des sociétés qui réutilisent ces batteries, comme Global Battery Technology, située dans le Michigan. « On leur a montré comment fonctionnait notre bi-level equalizer dans nos labos. »
Jusque là, l’équipe de Sandrine Mubenga opérait son bi-level equalizer sur des platines de prototypage. En 2017, les chercheurs et leurs étudiants l’intègrent à un circuit imprimé puis, en 2018, achètent une imprimante 3D pour imprimer leurs propres produits. S’ils ont déposé des brevets sur leurs technologie, Sandrine Mubenga, Thomas Stuart et l’Université de Toledo ne compte pas l’industrialiser eux-mêmes mais en appellent aux industriels : « Aujourd’hui, si une entreprise qui fabrique déjà des systèmes de batteries dans ses usines est intéressée, elle peut appeler l’Université de Toledo et acheter la licence. »
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