Un bond en avant dans la portée des drones et les charges utiles proviennent d’une batterie avec une chimie différente

L’armée américaine exige davantage de ses systèmes sans pilote, qui sont tous limités par la capacité énergétique des batteries actuelles. La demande de drones de plus en plus performants et gourmands en énergie signifie que la capacité de la batterie détermine la portée, l’endurance, la charge utile et le temps passé en station.

Breaking Defense s’est entretenu avec Job Rijssenbeek, CTO de Sion Power, sur les progrès réalisés dans la chimie des batteries de haute capacité, sur les domaines dans lesquels la technologie lithium-métal peut être applicable et sur les raisons pour lesquelles les batteries et les plates-formes sans pilote doivent de plus en plus être conçues conjointement comme un système unique.

Breaking Defense : Alors que les systèmes sans pilote effectuent des missions de plus en plus exigeantes, l’énergie devient-elle un facteur limitant dans ce qu’ils peuvent faire ?

Rijssenbeek: Absolument. Brick. Le général Troy Denomy, responsable des acquisitions du programme de manœuvre, a résumé les défis énergétiques lors du GVSETS (Symposium sur l’ingénierie et la technologie des systèmes de véhicules terrestres) l’été dernier lorsqu’il a déclaré : « Chaque formation que nous avons aujourd’hui est sous-alimentée. » La demande insatiable d’énergie ne fera qu’augmenter.

Pour les plateformes aéroportées, chaque livre compte. Plus de poids nécessite plus d’énergie pour soulever, ce qui nécessite plus de batteries, ce qui ajoute plus de poids. Cela devient vite un cercle vicieux. Si vous pouvez mettre plus d’énergie dans le même poids de batterie, vous modifiez considérablement ce calcul. Les batteries à plus grande densité énergétique permettent une plus grande portée, une plus grande endurance et une plus grande capacité de mission. Ils mettent davantage de missions à leur portée.

Qu’est-ce qui a changé dans la technologie des batteries pour permettre des améliorations en termes de puissance, de poids et de performances ?

La technologie lithium-ion a connu un succès extraordinaire et restera le bon choix pour de nombreuses applications, mais elle atteint ses performances attendues. Il existe plusieurs compositions chimiques de batterie avancées sur le marché, mais aucune ne convient le mieux à chaque mission. Les différentes compositions chimiques et les manières de les assembler offrent différentes combinaisons d’énergie, de puissance, de durée de vie, de sécurité et de coût.

Pour les applications où le poids et l’endurance sont particulièrement importants, les batteries à anode lithium-métal sont intéressantes car le remplacement de l’anode en graphite par du lithium métal réduit le poids et le volume et augmente la densité énergétique. Ces gains améliorent considérablement la capacité de mission.

Sion Power est à la pointe de l’innovation en matière de batteries lithium-métal depuis plus de 25 ans. Au cours des 15 dernières années, nous avons développé une propriété intellectuelle robuste autour des batteries à haute densité énergétique pour les véhicules électriques. Au cours de ce processus, nous avons développé une technologie de production d’anodes au lithium, des formulations d’électrolytes, des conceptions de cellules et des emballages qui rendent cette chimie prometteuse pratique et applicable aux applications de l’aérospatiale et de la défense.

Aujourd’hui, nous produisons des cellules lithium-métal grand format à Tucson, en Arizona, qui offrent le double de la densité énergétique des batteries lithium-ion conventionnelles, au niveau de la cellule et du pack, ce qui représente une transformation pour les drones et les missions qu’ils peuvent remplir.

Que signifie concrètement une densité énergétique plus élevée pour les clients du secteur de la défense ?

Plus d’énergie pour un poids identique ou inférieur se traduit par une durée de mission prolongée ou une charge utile supplémentaire. Vous pouvez voler plus longtemps, aller plus loin et faire plus.

Notre cellule Licerion Strike à énergie maximale et à attaque unidirectionnelle est conçue pour fournir jusqu’à 500 Wh/kg au niveau de la cellule, contre environ 250 Wh/kg pour les batteries lithium-ion standard actuelles des drones. Cela signifie environ deux fois le temps de vol, ce qui se traduit par une plus grande portée, un temps passé en station nettement plus long et une efficacité accrue. Par exemple, les drones sont invités à transporter des charges électroniques de plus en plus importantes (comme les communications, le brouillage, le guidage autonome, etc.), qui consomment des centaines de watts d’énergie continue. Les batteries à plus haute énergie permettent aux opérateurs d’intégrer davantage de ces capacités sans sacrifier l’endurance.

Les systèmes de défense doivent fonctionner de manière sûre et fiable dans des environnements difficiles. Comment les cellules lithium-métal fonctionnent-elles dans des conditions d’abus et de températures extrêmes ?

Une densité énergétique plus élevée n’est un avantage que si la cellule peut fonctionner de manière fiable dans les conditions requises par la mission. Chaque fois que davantage d’énergie est investie dans un emballage plus petit, la sécurité doit toujours être une priorité. Je suis fier de dire que la sécurité a toujours été notre priorité absolue chez Sion Power. Nous concevons rigoureusement pour la sécurité, des matériaux à la batterie.

Dans notre usine de Tucson, nous disposons d’environ 2 000 canaux de test et d’un laboratoire de sécurité et d’abus de 5 300 pieds carrés dédié à des tests rigoureux de performance et de sécurité – de l’exposition à des températures et vibrations extrêmes, à la pénétration des clous et à la décharge forcée.

Nous comprenons que nos batteries doivent fonctionner de manière fiable dans divers environnements et conditions, et nous développons constamment nos capacités dans ce domaine.

Que se passe-t-il lorsque vous sortez des batteries lithium-métal du laboratoire et les installez sur un véritable drone ?

Nous nous sommes posés la même question plus tôt cette année, lorsque nous avons réorienté nos applications vers les drones. Pour le savoir, nous avons installé l’un de nos packs de démonstration Licerion Strike sur un drone Freefly Astro Max disponible dans le commerce, remplaçant ainsi les deux batteries lithium-ion conventionnelles du drone. Notre pack a augmenté l’énergie embarquée de plus de 50 pour cent et a réduit le poids du pack de près de 30 pour cent, tout en utilisant la même empreinte mécanique.

Plus important encore, le drone a volé presque deux fois plus longtemps lorsqu’il est équipé de notre batterie, passant de 33 minutes à 60 minutes.

Deux fois le temps de vol signifie atteindre des cibles deux fois plus loin et mettre le pilote encore plus hors de danger. Deux fois le temps de vol signifie également plus de temps pour être productif sur la cible. Par exemple, si la zone cible est à 15 minutes, un avion de 33 minutes ne dispose que d’environ trois minutes en station avant de devoir revenir. Ce n’est pas beaucoup de temps pour être efficace. Or, à 60 minutes d’endurance, cela permet 30 minutes en station. Imaginez ce que vous pouvez faire de plus en 30 minutes et ce que vous ne pouvez pas faire en 3 minutes. C’est le genre de différence qui intéresse les opérateurs.

La technologie lithium-métal peut-elle être fabriquée à une échelle et à un coût adaptés à la défense ?

Absolument. Nous expédions aujourd’hui des cellules depuis Tucson et augmentons la capacité de la ligne pilote de 10 à 20 MWh. Nous prévoyons d’étendre notre production à 100-200 MWh, voire plus, à mesure que la demande augmente. Bien que nous remplaçons le graphite par une anode au lithium métallique, tous les autres composants de la batterie sont les mêmes que ceux utilisés dans les batteries lithium-ion commercialisées. Nous exploitons déjà ces chaînes d’approvisionnement pour minimiser nos coûts cellulaires. À mesure que notre échelle de fabrication augmente, notre situation en matière de coûts s’améliorera encore.

Quels drones bénéficieraient le plus du lithium-métal, et où une densité énergétique plus élevée pourrait-elle modifier l’équation des performances ?

Nos solutions lithium-métal sont idéales pour les drones plus lourds des groupes 1 et 2 où les avantages en termes de portée et de charge utile sont significatifs. Les drones du groupe 3 ont tendance à être propulsés aujourd’hui par des moteurs à combustion interne, mais bénéficieront d’une plus grande électrification et d’une réduction du bruit que permettront les batteries à haute énergie. Au-delà des drones, nous prévoyons que nos cellules seront capables de prendre en charge les applications robotiques, automobiles et spatiales à l’avenir. Si le poids et l’énergie sont des contraintes, nos batteries vous aideront.

La technologie lithium-métal est-elle principalement adaptée aux applications unidirectionnelles, ou la technologie peut-elle également prendre en charge les systèmes rechargeables ?

Les batteries lithium-métal sont absolument rechargeables. Notre travail dans le secteur automobile a été fondamental pour démontrer cela.

Nous avons développé des cellules Licerion grand format de 400 Wh/kg qui réalisent 800 cycles de charge-décharge, sont capables de charger rapidement et ont été validées par les principaux équipementiers mondiaux. Alors que notre produit Licerion Strike vise une densité énergétique maximale, nous avons appliqué ces connaissances à Licerion Echo, notre solution rechargeable, conçue pour fournir une densité énergétique élevée avec plus de 150 cycles. La recharge augmente la flexibilité, prend en charge la réutilisation et réduit la demande de remplacement.

La Chine domine la chaîne d’approvisionnement mondiale en matériaux de qualité batterie. Comment les technologies de batteries peuvent-elles réduire cette dépendance ?

La domination de la Chine sur la chaîne d’approvisionnement s’est établie au fil des décennies et cela ne sera pas défait du jour au lendemain. Il n’existe pas un seul produit chimique qui élimine toutes les vulnérabilités de la chaîne d’approvisionnement.

L’un des avantages des batteries lithium-métal est que l’anode ne nécessite pas de graphite, ce qui supprime une dépendance clé de la nomenclature.

Je suis fier de dire que les batteries de Sion Power sont fabriquées à 100 % aux États-Unis. Nous sommes déjà peu dépendants des matériaux fabriqués en Chine et nous sélectionnons systématiquement des sources de matériaux alternatives pour renforcer la résilience de notre chaîne d’approvisionnement et nous conformer aux exigences américaines en matière d’approvisionnement en matière de défense.

Qu’est-ce qui doit changer dans la façon dont les batteries et les systèmes sans pilote sont conçus pour ouvrir la voie à la prochaine avancée en matière de capacités ?

Je ne pense pas que la domination des drones reposera sur une chimie particulière ; il s’agit plutôt d’utiliser la bonne chimie pour la mission.

Pour les drones où l’endurance et le poids sont critiques, le lithium-métal représente une avancée significative en termes de densité énergétique. Mais le changement le plus important interviendra lorsque les batteries et les systèmes sans pilote seront de plus en plus co-conçus. Cela permettra une meilleure optimisation de la portée, de la charge utile, de la puissance, de la durée de vie et des coûts au niveau du système. La véritable accélération survient lorsque nous arrêtons d’optimiser le drone et la batterie séparément et commençons à optimiser l’ensemble du système comme un seul. Ce type d’approche transforme les améliorations en capacités qui offrent des avantages décisifs aujourd’hui et créent de nouvelles opportunités pour l’avenir.