Technologie des matériaux de base pour l'industrie des véhicules à énergie nouvelle

Piles, semi-conducteurs et matériaux de télémétrie laser

1 Introduction

Alors que la prise de conscience de la gravité des problèmes environnementaux ne cesse de croître, les véhicules à énergie nouvelle remplacent de plus en plus les véhicules à carburant traditionnels, la taille du marché affichant une tendance à la croissance soutenue. L'optimisation des performances et les avancées technologiques des matériaux des batteries - les composants essentiels des véhicules à énergie nouvelle -, des matériaux semi-conducteurs pour les composants de contrôle intelligents et des matériaux de télémétrie laser pour les composants de détection environnementale sont progressivement devenus les principaux domaines de concurrence de l'industrie.

La performance de la batterie, en tant que source d'énergie principale, est l'un des facteurs les plus importants que les consommateurs prennent en compte lorsqu'ils choisissent des véhicules à énergie nouvelle. L'équilibre entre la capacité de la batterie et le volume/poids détermine directement l'autonomie du véhicule ; par ailleurs, le risque d'emballement thermique est le risque de sécurité le plus critique pour les batteries d'alimentation, et la performance de dissipation de la chaleur des matériaux de la batterie a un impact significatif sur le facteur de sécurité du véhicule. Les semi-conducteurs de qualité automobile sont confrontés à des défis complexes liés à l'efficacité, à la puissance de calcul et à la chaîne d'approvisionnement. Traditional silicon-based insulated gate bipolar transistors (IGBTs) suffer from high switching losses, which impair the energy efficiency of electric drive systems. En outre, la puissance de calcul requise pour la conduite autonome (>100 TOPS) est limitée par les faibles taux de rendement des puces à processus avancé de qualité automobile (taux de rendement inférieurs à 50 % pour les processus inférieurs à 7 nm). La capacité de production mondiale de microcontrôleurs automobiles (MCU) est fortement concentrée entre quelques fabricants, ce qui se traduit par une faible résilience de la chaîne d'approvisionnement.

Les solutions se concentrent sur les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite : les modules d'alimentation en carbure de silicium (SiC) peuvent réduire les pertes de la transmission électrique de 50 % et augmenter l'autonomie de 5 % ; l'industrie fait progresser la production de masse de substrats SiC de 6 pouces pour améliorer la stabilité de l'approvisionnement. Le principal défi du lidar consiste à trouver un équilibre entre la précision et le coût. Les solutions mécaniques offrent une grande précision (±2 cm) mais coûtent plus de 5 000 dollars par unité ; les solutions à semi-conducteurs (telles que les réseaux à commande de phase Flash/optiques) voient leur capacité de télémétrie réduite de 40 % dans des conditions de forte luminosité. Les percées technologiques dépendent de l'intégration directe des puces à temps de vol (dToF) : l'utilisation de lasers à cavité verticale (VCSEL) et de réseaux de diodes à avalanche à photon unique (SPAD) permet d'obtenir une précision de télémétrie de l'ordre du millimètre (par exemple, la puce VL53L8). L'application de composants optiques au niveau de la plaquette a permis de réduire les coûts à 500 dollars, ce qui rend possible le déploiement à grande échelle du LiDAR. La fusion de données multi-capteurs est la voie royale pour parvenir à une conduite autonome de haute fiabilité.

Fig. 1 Batteries pour véhicules à énergie nouvelle

2 Batteries d'énergie : La révolution évolutive des transporteurs d'énergie

2.1 Itération des systèmes de matériaux : Du liquide au solide

Comparaison des technologies de batteries lithium-ion liquides :

Phosphate de fer lithié (LFP): offre une grande sécurité et des avantages à faible coût (température de décomposition du matériau >500°C), mais se heurte à des limites de densité énergétique (valeur typique : 160-180 Wh/kg). Les performances à basse température sont limitées (taux de rétention de la capacité à -20°C <70%), mais la durée de vie est excellente (>4 000 cycles à un taux de rétention de la capacité de 80%).

Matériaux ternaires (NCM/NCA) : Densité énergétique nettement améliorée (220-300 Wh/kg), mais stabilité thermique médiocre (température d'emballement thermique du NCM811 <180°C). La dépendance à l'égard des ressources en nickel et en cobalt entraîne une volatilité importante des coûts (les fluctuations du prix du cobalt peuvent atteindre ±30 % par an), et les matériaux à forte teneur en nickel accélèrent la décomposition de l'électrolyte.

Fig. 2 Durée de vie d'une batterie NCM

Les percées technologiques dans le domaine des piles à l'état solide se concentrent sur la sécurité intrinsèque et l'amélioration de la densité énergétique, mais elles doivent surmonter les problèmes de conduction de l'interface et d'évolutivité. Les principaux avantages résident dans deux domaines : la nature ininflammable des électrolytes solides élimine le risque d'emballement thermique des électrolytes organiques, ce qui garantit la sécurité intrinsèque de la batterie ; l'application d'anodes en lithium métal dépasse les limites théoriques de capacité des anodes en graphite, ce qui permet d'obtenir une densité énergétique potentielle supérieure à 500 Wh/kg. Cependant, des défis techniques majeurs entravent l'industrialisation : l'impédance de conductivité ionique de l'interface solide-solide se traduit par une conductivité à température ambiante généralement inférieure à 10^-3 S/cm ; l'extrême sensibilité des électrolytes sulfurés à l'humidité et à l'oxygène (décomposition instantanée lorsqu'ils sont exposés à l'air) entrave sérieusement la production à grande échelle ; les coûts actuels des matériaux sont plus de trois fois supérieurs à ceux des systèmes de batteries liquides, ce qui nécessite d'urgence une collaboration au sein de la chaîne d'approvisionnement pour résoudre les problèmes de modification de l'interface, de contrôle de l'atmosphère et de réduction des coûts du processus.

Fig. 3 Schéma de la structure en couches d'une batterie à l'état solide

2.2 Innovation structurelle et amélioration de la fabrication

La technologie de conditionnement intégré (CTP/CTC) améliore considérablement l'utilisation du volume des batteries de 15 à 20 % en éliminant les couches de la structure du module. Des cas typiques montrent que la technologie CTP de troisième génération peut réaliser une percée dans la densité énergétique du système de 255 Wh/kg. Dans le domaine des procédés de fabrication avancés, la technologie des électrodes sèches élimine l'étape de séchage du solvant, réduisant ainsi la consommation d'énergie de production jusqu'à 30 %. La technologie de pré-lithiation appliquée simultanément compense efficacement la perte de lithium au cours du premier cycle, améliorant l'efficacité initiale de 5 à 10 % et prolongeant la durée de vie du cycle. Les optimisations de processus connexes ont été validées par l'industrialisation.

2.3 Économie circulaire : Système technologique régénératif

Les batteries d'alimentation hors d'usage (avec une capacité restante de 70 à 80 %) subissent un tri électrochimique et un reconditionnement, ce qui permet leur utilisation secondaire dans les systèmes de stockage d'énergie du réseau (avec une précision d'écrêtement des pointes de plus de 95 %) ou comme sources d'énergie pour les véhicules électriques à faible vitesse, ce qui permet de réduire de 40 % les coûts de l'utilisation secondaire. Dans le processus de recyclage des matériaux, la technologie hydrométallurgique utilise un système de lixiviation acide sulfurique-peroxyde d'hydrogène (H₂SO₄-H₂O₂) combiné à une extraction par solvant au di(2-éthylhexyl) phosphate (D2EHPA), ce qui permet d'obtenir des taux de récupération des métaux de plus de 90 % pour le lithium, le cobalt et le nickel, avec une pureté de produit conforme aux normes de qualité des batteries (pureté du carbonate de lithium >99,5 %). Le règlement de l'UE sur les batteries et les déchets de batteries (2023) impose un taux de récupération du lithium d'au moins 80 % d'ici à 2031, ce qui favorise la normalisation des technologies de recyclage à l'échelle mondiale.

Fig. 4 Organigramme du processus métallurgique humide pour le recyclage des batteries

3 Semi-conducteurs de qualité automobile : Le support central du contrôle intelligent

3.1 Évolution de l'efficacité énergétique des dispositifs de puissance

Les MOSFET en carbure de silicium (SiC) remplacent progressivement les IGBT à base de silicium. Leurs caractéristiques de large bande interdite permettent un fonctionnement à haute température supérieure à 200°C, réduisent les pertes de commutation à haute fréquence de 50 % et améliorent considérablement l'efficacité des systèmes d'entraînement électrique (augmentation de la gamme de 3 à 5 %). Cette technologie a été appliquée aux onduleurs des moteurs principaux et aux chargeurs embarqués. Bien que la technologie de conditionnement des modules ait fait des percées, les plaques épitaxiales de substrat SiC restent très dépendantes de la chaîne d'approvisionnement internationale, ce qui pose des risques en termes de capacité.

3.2 Progrès dans la technologie des puces de détection

Le cœur du LiDAR utilise la technologie du temps de vol direct (dToF) et comprend deux solutions : la télémétrie par impulsions et les réseaux de diodes à avalanche à photon unique (SPAD). Le kit de récepteur intégré (APD+TIA+puce ToF) peut atteindre une précision de télémétrie de ±10 mm et une récupération de surcharge de 10ns. Les capteurs multizones (tels qu'un réseau de 64 pixels) permettent une portée de 285 cm avec une forte résistance aux interférences lumineuses, ce qui permet la reconnaissance des gestes dans les véhicules et les systèmes de surveillance des occupants.

Fig. 5 SPAD et réseaux SPAD : De la détection d'un photon unique aux plates-formes d'imagerie au niveau du système

3.3 Architecture de la puce de commande computationnelle

Les cockpits intelligents et les contrôleurs du domaine de la conduite autonome sont dominés par des puces à haute performance (telles que les solutions Qualcomm/NVIDIA). Les microcontrôleurs (MCU) de qualité automobile doivent passer la certification de sécurité fonctionnelle ISO 26262 ASIL-D, avec des seuils de développement axés sur le contrôle des taux de défaillance (<10 FIT) et la garantie des délais de réponse en temps réel (< 50 μs).

4 Technologie de télémétrie laser : Mise en œuvre précise de la perception environnementale

4.1 Comparaison des approches techniques

dToF (temps de vol direct) : Calcule la distance (d=c-Δt/2) en mesurant le délai aller-retour (Δt) des impulsions laser, avec une précision de l'ordre du millimètre, une portée de l'ordre du kilomètre et de fortes capacités anti-interférences.

iToF (temps de vol indirect) : Repose sur la différence de phase entre les formes d'onde transmises et reçues, est relativement peu coûteux, mais est sensible aux interférences de la lumière ambiante (erreur > 40 % en cas de forte luminosité).

Fig. 6 Schéma de la télémétrie par impulsion laser

4.2 Architecture du dispositif central dToF

L'émetteur du système à temps de vol direct (dToF) utilise un laser à cavité verticale (VCSEL) de 940 nm, qui est conforme à la norme de sécurité oculaire CEI 60825-1 tout en maintenant une consommation d'énergie inférieure à 2 W. Le récepteur est constitué d'un photomètre à avalanche, d'une lampe à incandescence et d'une lampe à incandescence. Le récepteur se compose d'une photodiode à avalanche (APD), d'un amplificateur à transimpédance (TIA) et d'un convertisseur temps-numérique (TDC) fonctionnant en tandem : l'APD atteint un taux de réponse photoconducteur de >50 A/W à la longueur d'onde de 905 nm, le TIA fournit une largeur de bande de 290 MHz et assure un temps de récupération du signal de <10 ns, et le TDC atteint une résolution temporelle de 20 ps pour une télémétrie précise. Le système optique utilise des éléments optiques diffractifs (DOE) pour le contrôle du faisceau multirégion, avec des applications typiques telles qu'une architecture de balayage à 64 zones, fournissant la base de la détection de la résolution spatiale.

Fig. 7 Système VCSEL

4.3 Limites de performance des scénarios d'application

Dans les scénarios de haute précision à courte portée (tels que les systèmes de stationnement automatique), la technologie dToF peut atteindre une précision de positionnement de ±1 cm dans un rayon de <10 mètres, mais nécessite une suppression algorithmique des interférences par trajets multiples causées par les réflexions au sol. Pour la détection dynamique à longue portée (comme les systèmes d'aide à la conduite à grande vitesse), la fiabilité de la portée au-delà de 200 mètres repose sur la combinaison d'émetteurs laser à impulsions à haute puissance de crête et de réseaux de diodes à avalanche à photon unique (SPAD) multi-mégapixels pour surmonter l'atténuation atmosphérique et la dégradation du rapport signal/bruit causée par les cibles en mouvement.

5 Cadre de synergie industrielle : L'intégration multimatériaux, moteur de l'innovation des systèmes

L'évolution technologique des véhicules à énergie nouvelle repose sur l'intégration profonde des systèmes de stockage d'énergie par batterie, des unités de commande à semi-conducteurs et des dispositifs de détection laser dans de multiples domaines physiques. Au niveau du flux d'énergie, les modules d'alimentation en carbure de silicium (SiC) réduisent les pertes de commutation de 50 %, ce qui permet aux plateformes haute tension de 800 V de prendre en charge la charge rapide des batteries à semi-conducteurs à un taux de 4 C tout en réduisant la charge sur les systèmes de gestion thermique ; la coordination du flux d'information implique le traitement en temps réel des données du nuage de points lidar (dToF) par un contrôleur de domaine (avec plus de 100 TOPS de puissance de calcul), ajustant dynamiquement la puissance de sortie de la batterie (avec un délai de réponse de moins de 100 ms) pour obtenir une allocation optimale de l'efficacité du couple ; La coordination du flux de sécurité est réalisée en fusionnant les données multi-capteurs du bloc-batterie (température/tension/déformation) avec les données de détection d'obstacles par laser, ce qui déclenche l'arrêt des dispositifs SiC dans les 2 microsecondes afin d'empêcher la propagation de l'emballement thermique.

5.1 Étude de cas de collaboration au niveau du composant central

La chaîne de protection de la sécurité de la charge ultra-rapide illustre une interaction typique : une station de charge ultra-rapide de 480 kW délivre une haute tension de 800 V au chargeur embarqué SiC (OBC), entraînant la charge de la batterie à semi-conducteurs à un taux de 4C. Lorsque le gradient de température de la batterie dépasse 5°C, la puce de gestion thermique génère un signal PWM pour activer la pompe de refroidissement, tandis qu'un laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) surveille simultanément la température avec une précision de ±0,1°C, formant un système de protection à trois niveaux : "surveillance du laser, limitation dynamique du courant par le BMS et arrêt du SiC". Le scénario du régulateur de vitesse adaptatif met en évidence l'optimisation de l'efficacité énergétique : Le lidar détecte la distance par rapport au véhicule qui précède avec une précision de ±10 cm jusqu'à 200 mètres, le contrôleur de domaine (puissance de calcul de 128 TOPS) calcule le couple nécessaire, la puce de puissance ajuste la fréquence de commutation (16 kHz à 50 kHz), et le système de batterie fournit 30-150 kW de puissance selon les besoins (avec une fluctuation du SOC <1% par kilomètre). Cette chaîne collaborative a été validée pour augmenter l'autonomie de 12 % dans les conditions WLTC.

5.2 Défis et percées dans l'interaction des interfaces matérielles

Les interférences électromagnétiques (EMI) entre les batteries et les semi-conducteurs affectent la précision des systèmes de gestion des batteries. L'utilisation de films de blindage nanocristallins permet d'obtenir une atténuation de plus de 30 dB. Le problème du bruit thermique des puces laser ToF est résolu en refroidissant le substrat de germanium-silicium (SiGe) de 50°C pour améliorer le rapport signal-bruit. Les décalages optiques causés par les vibrations de la batterie sont résolus à l'aide d'algorithmes d'alignement actifs (avec une précision de compensation de ±0,05°). Le modèle du Boston Consulting Group indique que ces technologies synergiques pourraient réduire le coût de l'ensemble du véhicule de 18 % d'ici 2030, la valeur provenant d'une augmentation de 40 % de la valeur de réutilisation des batteries, d'une amélioration de 15 % de l'efficacité énergétique des semi-conducteurs pour une plus grande autonomie, et d'une réduction des coûts du lidar à 500 $ par unité grâce à des gains systémiques.

6. Conclusion

Le développement des véhicules à énergie nouvelle est passé d'innovations technologiques individuelles à un stade de synergie systématique entre les batteries, les semi-conducteurs et les matériaux laser. Ces trois éléments forment un écosystème technologique en boucle fermée grâce à une interaction profonde dans les flux d'énergie, d'information et de sécurité.

Dans le domaine de l'énergie, les modules de puissance en carbure de silicium réduisent les pertes de commutation de 50 %, ce qui permet à la plateforme 800 V d'atteindre un taux de charge rapide de 4C tout en réduisant simultanément les charges de gestion thermique de la batterie ; dans le domaine de l'information, les données du nuage de points lidar sont traitées en temps réel par le contrôleur de domaine (avec une latence <100 ms), ce qui optimise dynamiquement la puissance de sortie de la batterie et la distribution du couple ; dans le domaine de la sécurité, un mécanisme de fusion multi-capteurs déclenche l'arrêt des dispositifs semi-conducteurs dans les 2 microsecondes pour empêcher la propagation de l'emballement thermique.

Cette synergie apporte d'importants avantages dans tous les domaines : l'amélioration de l'efficacité des semi-conducteurs prolonge l'autonomie de 12 % (dans des conditions WLTC), les coûts du lidar sont réduits à 500 dollars par unité, la valeur de réutilisation de la batterie augmente de 40 % et le système permet de réduire de 18 % le coût des véhicules d'ici à 2030. Les percées futures se concentreront sur la transmission synergique d'interface entre les batteries à l'état solide et les semi-conducteurs à large bande interdite (GaN-on-SiC), la détection et le calcul intégrés sur des puces photoniques, et le développement de superlentilles pilotées par l'IA (efficacité de diffraction supérieure à 90 %) et de matériaux de blindage électromagnétique (atténuation supérieure à 50 dB). Ce n'est qu'en faisant tomber les barrières disciplinaires entre la science des matériaux, l'optoélectronique et l'électrochimie que le véhicule intelligent de la prochaine génération pourra connaître une révolution technologique caractérisée par "une sécurité intrinsèque, une efficacité ultra-élevée et un recyclage durable".

Stanford Advanced Materials est fier de soutenir les leaders de l'industrie grâce à son portefeuille complet de matériaux conçus pour les batteries, les semi-conducteurs et les technologies laser. Nous invitons les chercheurs et les fabricants à collaborer avec nous et à tirer parti de notre expertise pour préparer l'avenir des nouveaux véhicules énergétiques intelligents, efficaces et durables.