Diamant : un futur révolutionnaire pour les voitures électriques ?

Est-ce que le futur des semiconducteurs repose sur l’utilisation de diamants de fabrication synthétique ? Ces diamants pourraient offrir des améliorations significatives de performances utilisées dans les voitures électriques.

Les innovations invisibles de la voiture électrique

Les innovations les plus importantes sont parfois celles qui se voient le moins. Et c’est particulièrement vrai pour la voiture électrique. Nous parlons à longueur d’année des batteries et des différentes chimies qui voient le jour, mais plus que le type de pile, c’est aussi la façon dont est gérée l’énergie qui peut transfigurer les performances d’une électrique. L’électronique de puissance est en effet un élément central sur tous les véhicules disposant d’une fonction de recharge.

C’est elle qui fait transiter les électrons entre la batterie et le(s) moteur(s), et c’est aussi grâce aux innovations dans l’électronique de puissance que vous pouvez recharger votre voiture avec des puissances toujours plus élevées. Mais comme la voiture électrique est encore un produit relativement jeune, elle dispose d’une belle marge de progression. A commencer par la réduction des pertes, notamment à la recharge du véhicule. Pour les diminuer et améliorer l’efficience de la mobilité électrique, le diamant pourrait effectivement nous servir. Mais il ne s’agit pas de celui que l’on récolte dans les mines.

Semi-conducteurs : tout savoir sur ces composants essentiels à l’automobile

Du diamant de synthèse pour plus d’autonomie

Chargeur embarqué et convertisseur sont deux éléments cruciaux sur une voiture électrique. Les constructeurs qui obtiennent les meilleurs scores d’autonomie sont ceux qui ont réalisé le meilleur travail de développement sur ces deux organes. Et leur efficience repose en grande partie sur la qualité des semi-conducteurs utilisés. Historiquement, l’automobile s’est servie du traditionnel silicium avec un rendement déjà honorable de 90 %. Et puis, des constructeurs tels que Toyota se sont rapidement tournés vers le carbure de silicium qui a permis de réduire encore un peu les pertes et améliorer les performances des électriques et hybrides avec un rendement proche des 95 % de transmission du courant.

Les semiconducteurs à diamants ne sont pas vraiment nouveaux (30 ans de travaux de recherche au sein du CNRS en France) mais ils commencent à faire parler d’eux. Cette fois, le rendement serait de l’ordre de 99 %. Le gain que l’on retrouve sur les véhicules électriques actuellement lancés avec des semiconducteurs à carbure de silicium serait donc doublé. Cela ne paraît pas, mais ces 4 % supplémentaires sont colossaux.

Des voitures (un peu) moins lourdes ?

Cocorico, nous avons en France une entreprise qui a récemment levé 8 millions d’euros et dont le créneau est l’épitaxie. Dit grossièrement, DiamFab achète des substrats de diamants et les « prépare » (on parle alors de dopage) électroniquement pour qu’ils soient ensuite convertis en composants électroniques. A l’origine, la plaquette (appelée « wafer ») de substrat brut est totalement isolante. Le dopage électronique permet donc de la rendre plus ou moins conductrice de courant selon ce que l’on souhaite obtenir. C’est la base de toute notre électronique moderne.

Le diamant a effectivement d’énormes avantages sur le carbure de silicium : il dissipe beaucoup mieux la chaleur et, cerise sur le gâteau, nécessiterait bien moins d’énergie à la production puisqu’il requiert une température d’environ 1000°C pour être produit, contre plus de 2000°C pour le carbure de silicium. Mais comme nous l’expliquions en préambule, ces diamants n’ont rien de naturel et ne sont pas récoltés dans des mines. Le diamant n’étant chimiquement qu’un « banal » amoncellement d’atomes carbone, il n’a pas été très difficile de le recréer artificiellement en laboratoire. Les travaux en la matière remontent d’ailleurs à des dizaines d’années. Les diamants de synthèse servant à la fabrication des semiconducteurs sont d’ailleurs produits à partir de méthane, dans le cas des substrats utilisés par DiamFab. Il s’agit donc de diamants totalement artificiels mais ayant les mêmes propriétés optiques ou physiques qu’un diamant naturel.

La liste des bons points ne s’arrête pas là puisque grâce à son rendement proche de la perfection, le semiconducteur à diamant chauffe moins… et n’a donc pas besoin de systèmes de refroidissement aussi performants que les semiconducteurs à silicium. On imagine alors aisément des voitures électriques qui chargeraient plus vite tout en étant plus légères et moins encombrantes, puisque nécessitant des dispositifs de refroidissement moins importants. Et surtout, avec un gain d’autonomie probablement loin d’être négligeable à batterie équivalente.

La révolution pour quand ?

Avec autant de qualités, il est légitime d’attendre des applications concrètes rapides pour ces semiconducteurs à diamants. Mais Gauthier Chicot, le fondateur de DiamFab avec qui nous avons pu échanger, tempère : pour l’heure, il est encore testé en laboratoire selon les débouchées requis par les clients (automobile, par exemple). Mais les choses peuvent vite s’enchaîner. La société grenobloise est désormais rentrée dans le radar de constructeurs automobiles français et européens qui se sont rapprochée d’elle pour mettre en commun les compétences et accélérer le développement de ces composants pour l’automobile. La phase d’industrialisation pourrait intervenir dans les 4 ans en France. Gauthier Chicot nous explique par ailleurs que Toyota (encore lui !) a déjà enclenché la première avec un fournisseur japonais de semiconducteurs à diamants. Et si leur coût est logiquement plus élevé que leur équivalent à carbure de silicium, cela pourrait être vite compensé par le fait qu’un semiconducteur à diamant pourra être jusqu’à 50 fois plus fin et compact à performances équivalentes.