Étendre la durée de vie des batteries grâce à un manteau thermique

Dans le souci constant de prolonger la durée de vie des batteries des véhicules électriques, qui sont sujettes à des variations de température souvent dommageables, des chercheurs ont mis au point un dispositif innovant.

Conçu pour protéger les batteries de ces fluctuations thermiques, ce prototype fonctionne sans apport énergétique externe, indépendamment du climat. Il s’agit d’un manteau thermique capable de refroidir un véhicule électrique de 8°C en cas de forte chaleur, tout en le réchauffant de 6,8°C durant les nuits plus fraîches.

« La cape thermique est une sorte de vêtement pour les véhicules, les bâtiments, les engins spatiaux ou même les habitats extraterrestres, qui permet de conserver la fraîcheur en été et la chaleur en hiver« , explique Kehang Cui, auteur principal de l’étude et chercheur en sciences des matériaux à l’Université de Shanghai Jiao Tong.

Un principe inspiré du phénomène de refroidissement radiatif

Le manteau thermique est constitué de deux couches : une externe qui réfléchit efficacement la lumière du soleil et une interne qui piège la chaleur. L’ensemble permet de maintenir une température constante sous le manteau, indépendamment des conditions extérieures. L’énergie thermique que la couche externe peut absorber est émise de telle manière qu’elle se dissipe facilement dans l’espace.

« Le manteau fonctionne essentiellement de la même manière que le refroidissement radiatif de la Terre« , explique Cui. « La Terre est recouverte par l’atmosphère, qui est transparente à une certaine plage d’énergie électromagnétique que nous émettons. »

Un dispositif qui s’adapte automatiquement aux conditions hivernales

Si ce procédé est efficace pour refroidir en été, il pourrait au contraire accentuer le froid en hiver. Pour pallier ce problème, l’équipe de recherche a conçu le manteau pour qu’il s’adapte automatiquement en hiver. Il utilise un principe appelé « recyclage des photons ». Autrement dit, toute énergie emprisonnée sous le manteau est réfléchie entre la voiture et le manteau, sans s’échapper vers l’extérieur.

Des tests concluants pour le manteau thermique

Afin d’évaluer les performances de leur prototype, les chercheurs ont mené des tests sur des véhicules électriques stationnés en extérieur à Shanghai.

Alors que la température à l’intérieur d’une voiture non couverte a atteint 50,5°C à midi, celle de la voiture couverte par le manteau n’a pas dépassé 22,8°C, soit une différence de 27,7°C.

À minuit, la voiture couverte est restée 6,8°C plus chaude que l’extérieur, sans jamais descendre en dessous de 0°C.

Une conception respectueuse des contraintes de production

Le manteau thermique a été conçu pour faciliter son passage à la production à grande échelle. Par exemple, l’utilisation de fibres de silice plus fines aurait certes augmenté la réflectivité solaire, mais elles auraient aussi été plus fragiles et incompatibles avec les techniques de production industrielle à haut volume.

En complément, les matériaux utilisés, notamment l’aluminium, la silice et le nitrure de bore, sont tous peu coûteux, rendant le manteau léger, durable et ignifuge.

En synthèse

Le manteau thermique représente une solution prometteuse pour prolonger la durée de vie des batteries des véhicules électriques, souvent mise à mal par les fluctuations de température. Capable de réchauffer et de refroidir un véhicule selon les conditions climatiques, ce dispositif pourrait également trouver des applications dans d’autres domaines, tels que l’habitat ou l’exploration spatiale.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’un manteau thermique ?

Un manteau thermique est un dispositif innovant conçu pour protéger les batteries des véhicules électriques des fluctuations de température. Il est capable de refroidir un véhicule de 8°C lors des journées chaudes et de le réchauffer de 6,8°C pendant les nuits fraîches, et ce, sans apport énergétique externe.

2. Comment fonctionne le manteau thermique ?

Le manteau thermique est composé de deux couches. La première, externe, réfléchit efficacement la lumière du soleil. La seconde, interne, piège la chaleur. Ainsi, une température constante est maintenue sous le manteau, indépendamment des conditions extérieures. De plus, l’énergie thermique que la couche externe peut absorber est émise de manière à se dissiper facilement dans l’espace.

3. Comment le manteau thermique adapte-t-il son fonctionnement en hiver ?

En hiver, le manteau thermique utilise un principe appelé « recyclage des photons ». Autrement dit, toute énergie emprisonnée sous le manteau est réfléchie entre la voiture et le manteau, plutôt que de s’échapper vers l’extérieur. Cela permet d’éviter que le véhicule ne se refroidisse davantage lors des nuits froides.

4. Quels sont les résultats des tests sur le manteau thermique ?

Les tests réalisés sur des véhicules électriques stationnés en extérieur à Shanghai ont donné des résultats prometteurs. À midi, la température à l’intérieur d’une voiture couverte par le manteau n’a pas dépassé 22,8°C, soit une différence de 27,7°C par rapport à une voiture non couverte. À minuit, la voiture couverte est restée 6,8°C plus chaude que l’extérieur, sans jamais descendre en dessous de 0°C.

5. Quels sont les matériaux utilisés pour la conception du manteau thermique ?

Le manteau thermique est fabriqué à partir de fibres de silice recouvertes de flocons de nitrure de bore hexagonal, une matière céramique similaire au graphite, pour la couche externe. Ces fibres sont tressées et tissées en un tissu qui est ensuite fixé à la couche interne, constituée d’un alliage d’aluminium. Ces matériaux ont été choisis pour leur faible coût et leur capacité à rendre le manteau léger, durable et ignifuge.

Les résultats de ces travaux ont été présentés le 11 juillet dans le nouveau journal Device, un supplément orienté applications de Matter, Joule, et Cell. Photographie de la métafabrique phononique au sommet d’un épi de blé – crédit Huaxu Qiao

Ce travail a été soutenu par la Commission des sciences et technologies de la municipalité de Shanghai et par l’Université Jiao Tong de Shanghai. Device, Qiao et al. « Scalable and durable Janus thermal cloak for all-season passive thermal regulation« . DOI : 10.1016/j.device.2023.100008