Batteries à semi-conducteurs dans les drones : victoires, obstacles et quelle est la prochaine étape pour les opérateurs

Le résultat ? Un vol continu de 48 minutes et 10 secondes, ce qui aurait été impensable avec le lithium-ion il y a quelques années à peine. Pour quiconque se trouve dans l’espace, ce n’est pas seulement un chiffre ; c'est la preuve queétat solidepeut résoudre deux des plus gros problèmes des opérateurs de drones : les temps de vol courts et les problèmes de sécurité. Ce vol d’essai n’a pas seulement battu un record : il a montré que les eVTOL (et les drones en général) pourraient bientôt effectuer des missions plus longues et plus fiables sans lésiner sur la sécurité.

Panasonic est également intervenu, avec unbatterie à semi-conducteursconstruit spécifiquement pour les petits drones – et leurs spécifications conviennent parfaitement aux opérateurs occupés. Imaginez charger la batterie d'un drone de 10 % à 80 % en 3 minutes. Pour une équipe de livraison effectuant plus de 20 vols par jour, cela réduit les temps d'arrêt de 30 minutes (avec le lithium-ion) à presque rien. Encore mieux ? Il dure 10 000 à 100 000 cycles de charge à température ambiante. Une entreprise de construction avec laquelle nous travaillons nous a dit qu'elle remplaçait les batteries lithium-ion tous les 6 mois : cette option Panasonic pourrait leur durer plus de 5 ans. Cela représente une économie considérable, mais cela signifie également que moins de batteries finissent dans les décharges, ce que les clients demandent de plus en plus à mesure qu'ils s'orientent vers le développement durable.

Mais voici ce que nous n’édulcorons pas pour les clients : les transistors ont encore des obstacles à franchir avant d’être installés dans chaque drone. Nous avons discuté avec des dizaines d’opérateurs de drones de petite et moyenne taille au cours des six derniers mois, et leurs préoccupations tournent toutes autour des mêmes défis, qui vont au-delà des « bonnes spécifications sur papier ».

Prenez d’abord les coûts. Les matériaux à eux seuls sont plus chers : les électrolytes solides de ces batteries coûtent plus cher que les électrolytes liquides du lithium-ion, et les machines nécessaires pour les fabriquer ? Ils ne sont pas disponibles dans le commerce. Un fabricant de drones en démarrage au Texas nous a dit qu'il souhaitait passer à l'état solide, mais le coût initial du rééquipement de sa configuration de batterie aurait englouti la totalité de son budget annuel. Pour les grands acteurs comme EHang ou Panasonic, c’est gérable, mais pour la majorité des opérateurs, c’est actuellement un obstacle.

Ensuite, il y a le problème de la « stabilité de l’interface », des termes fantaisistes pour un problème simple : l’électrolyte solide et les électrodes de la batterie doivent rester en contact étroit et constant pour fonctionner correctement. Mais chaque fois que la batterie se charge et se décharge, les électrodes rétrécissent et se dilatent un peu. Au fil du temps, cela crée de minuscules espaces et la batterie perd de la puissance plus rapidement. Nous l’avons constaté de nos propres yeux lors d’un test de drone agricole au printemps dernier : après 50 cycles, le temps de vol de la batterie à semi-conducteurs a chuté de 12 %, ce qui n’est pas un problème, mais suffisamment pour que l’agriculteur se demande : « Est-ce que cela va empirer ? » À l’heure actuelle, la réponse est « peut-être », jusqu’à ce que les fabricants trouvent des matériaux d’électrodes plus durables.

La fragilité est un autre casse-tête, surtout pour les drones qui volent dans des conditions difficiles. La plupart des électrolytes solides à base de céramique sont résistants, mais pas flexibles. Une équipe de recherche et de sauvetage du Colorado a testé une batterie céramique-électrolyte l'hiver dernier ; lors d'un atterrissage sur un terrain rocheux, le boîtier de la batterie s'est fissuré (heureusement, pas d'incendie) et le drone a perdu de la puissance. Le lithium-ion pourrait fuir dans ce scénario, mais il continue généralement à fonctionner suffisamment longtemps pour atterrir en toute sécurité. Pour les drones qui gèrent des vibrations (comme les scanners de chantier) ou des atterrissages durs (comme les drones de surveillance de la faune), c'est un gros problème.

Même les dendrites de lithium – ces minuscules structures en forme d’aiguilles qui court-circuitent les batteries lithium-ion – n’ont pas complètement disparu. Elles sont plus rares à l’état solide, mais les ingénieurs en batteries nous ont dit qu’à des vitesses de charge élevées (comme la charge de 3 minutes de Panasonic), des dendrites peuvent toujours se former. Il s’agit d’un risque moindre, mais pour les opérateurs survolant des zones très fréquentées, « plus petit » n’est pas toujours « suffisant ».

La chaleur est une autre surprise. L’état solide est plus sûr à haute température que le lithium-ion, mais il ne dissipe pas non plus la chaleur. Un drone utilisé pour des tâches à forte puissance, comme soulever de lourdes charges utiles ou voler longtemps à vitesse maximale, peut accumuler rapidement de la chaleur. Nous avons travaillé avec un client logistique testant un drone à semi-conducteurs pour les livraisons de colis de 50 livres ; après 25 minutes de vol, la batterie est devenue suffisamment chaude pour que le logiciel du drone l’oblige à atterrir plus tôt. Ils ont dû ajouter un dissipateur thermique léger, ce qui a réduit la capacité de charge utile, ce qui va à l'encontre en partie de l'objectif du passage à l'état solide.

Et n’oublions pas l’échelle de fabrication. À l’heure actuelle, la plupart des batteries à semi-conducteurs sont fabriquées en petits lots. Un opérateur de drone qui a besoin de 100 batteries par mois peut attendre 6 à 8 semaines pour être livré, alors que les batteries lithium-ion sont en stock le jour même. Jusqu’à ce que les usines soient en mesure de produire des batteries à semi-conducteurs aussi rapidement (et à moindre coût) que le lithium-ion, l’adoption restera lente pour toutes les équipes, à l’exception des plus grandes.

En ce qui concerne les électrolytes solides eux-mêmes, il n’existe pas non plus de solution universelle. Les céramiques sont excellentes pour la conductivité – elles permettent aux ions de se déplacer rapidement, ce qui signifie plus de puissance – mais elles sont fragiles, comme nous l’avons vu. Les polymères sont flexibles, ils gèrent donc mieux les vibrations, mais ils sont plus lents à température ambiante – parfait pour un drone agricole lent, mais mauvais pour un drone de livraison rapide. Les sulfures sont un juste milieu : bonne conductivité et flexibilité, mais ils réagissent à l’humidité. Un opérateur de drone côtier en Floride nous a dit qu'il devait ajouter un boîtier étanche aux batteries à base de sulfure, ce qui ajoutait du poids. Le choix du bon électrolyte dépend entièrement de ce que fait le drone et de l’endroit où il vole.

Voici cependant la bonne nouvelle : tous les défis que nous avons mentionnés sont en train d’être résolus, un test à la fois. Le vol d’EHang n’était pas un hasard ; c’est un signe que les fabricants cherchent à adapter les transistors aux drones. La batterie à chargement rapide de Panasonic n’est pas seulement un prototype : elle commence à être expédiée à certains clients. Et à mesure que de plus en plus d’opérateurs exigeront des SSD, les coûts diminueront.

Pour quiconque dirige actuellement une entreprise de drones, la question n’est pas de savoir si les transistors prendront le relais, mais plutôt quand et comment se préparer. Commencez petit : testez quelques batteries à semi-conducteurs avec vos drones les plus demandés (comme la livraison ou la recherche et sauvetage) et suivez les économies de temps et de remplacements. Discutez avec votre fournisseur de batteries de solutions personnalisées : beaucoup sont prêts à modifier les électrolytes pour votre cas d'utilisation spécifique.

L’état solide n’est pas encore parfait, mais il est déjà meilleur que le lithium-ion dans les domaines les plus importants : des vols plus longs, des opérations plus sûres et moins de temps d’arrêt. Et pendant que les problèmes sont résolus ? Nous envisageons un avenir dans lequel les drones ne se contenteront pas de « faire le travail » : ils le feront plus rapidement, à moindre coût et dans plus d’endroits que jamais.

Si vous êtes curieux de savoir quelle batterie à semi-conducteurs convient le mieux à vos drones, ou si vous souhaitez en savoir plus sur les tests que nous avons effectués avec nos clients, écrivez-nous. Il ne s’agit pas seulement de discours techniques : il s’agit de rendre vos opérations de drones plus efficaces pour vous.