Énergie
Accélérer les percées des batteries à état solide avec l’IA
Le secteur en pleine croissance de la technologie des batteries devrait valoir plus de $100 milliards dans les années à venir, grâce à l’adoption croissante des véhicules électriques (VE), à l’installation de diverses batteries et à l’alimentation des centres de données.
Parmi les différents types de batteries, le lithium‑ion est le plus populaire, représentant une part de marché massive de 44 %. Les batteries Li‑ion sont des batteries rechargeables les plus couramment utilisées aujourd’hui, alimentant nos téléphones mobiles, ordinateurs portables et autres appareils électroniques grand public ainsi que les VE et les systèmes de stockage d’énergie.
Bien que les batteries lithium‑ion offrent de nombreux avantages en termes de légèreté, de conductivité élevée et de densité énergétique élevée, elles présentent des problèmes de durée de vie. La sécurité constitue également un grand défi car elles contiennent un électrolyte liquide volatil, qui peut prendre feu s’il est endommagé ou surchauffé.
En conséquence, les batteries à état solide (SSB) ont émergé comme une alternative aux batteries à état liquide (LSB), qui utilisent des électrolytes solides pour éviter les fuites ou les dégagements de gaz.
Outre une sécurité accrue, ces batteries offrent également les avantages de la miniaturisation, de la légèreté, d’une charge plus rapide, d’une excellente efficacité d’emballage, d’un fonctionnement sur une large plage de températures et d’une longue durée de conservation.
Les batteries à état solide ne sont pas une découverte récente. Elles ont été introduites pour la première fois au XIXe siècle, mais malgré leur existence depuis si longtemps, elles n’ont pas connu d’application généralisée. Cela change enfin avec la tendance croissante à l’électrification et le besoin d’alternatives meilleures et plus sûres aux batteries Li‑ion largement adoptées.
Dans le cadre de l’intérêt renouvelé pour la technologie, les chercheurs optimisent les batteries à état solide grâce à une approche multifacette qui se concentre sur les matériaux, la structure et la conception d’interface, tout en utilisant des techniques d’IA basées sur les données.
Travaux en cours pour améliorer les SSB
Des chercheurs du monde entier travaillent d’arrache-pied pour comprendre et améliorer les batteries à état solide afin d’alimenter le futur. Certaines études récentes et marquantes menées dans ce domaine sont les suivantes :
Décrypter les SSB
Des chercheurs de l’Université du Missouri ont approfondi la compréhension des problèmes des batteries à état solide et des moyens de les surmonter afin d’aider les SSB à devenir une réalité.
Ils ont utilisé la microscopie électronique à transmission en mode balayage 4D (STEM) pour analyser la structure atomique de la batterie sans la démonter et ont découvert que la couche d’interphase était à l’origine du problème.
Dans les SSB, un électrolyte solide en contact avec la cathode entraîne une réaction qui forme une couche d’interphase d’environ 100 nm d’épaisseur. Bien que cette couche soit 1 000 fois plus fine qu’un cheveu humain, elle bloque le transfert fluide des ions lithium et des électrons, augmentant la résistance et nuisant aux performances de la batterie.
Après cette découverte, le professeur assistant Matthias Young prévoit maintenant de tester si la spécialité de son laboratoire, des films minces créés par un procédé appelé dépôt oxydatif de couche moléculaire (oMLD), peut former des revêtements protecteurs et aider à empêcher l’électrolyte solide et les matériaux de la cathode de réagir entre eux.
« Les revêtements doivent être suffisamment fins pour prévenir les réactions, mais pas trop épais au point de bloquer le flux des ions lithium », a-t-il déclaré. « Nous visons à maintenir les caractéristiques haute performance de l’électrolyte solide et des matériaux de la cathode. Notre objectif est d’utiliser ces matériaux ensemble sans sacrifier leurs performances au profit de la compatibilité. »
Explorer le potentiel du LLZO comme électrolyte solide dans les SSLMB
Une étude récente menée par des chercheurs de l’Université de Tohoku a évalué les électrolytes solides de type grenat pour les batteries lithium métal à état solide (SSLMB), considérées comme une technologie prometteuse en raison de leur potentiel d’amélioration des performances énergétiques et de la sécurité.
Elle a constaté que les avantages en densité énergétique attendus de ces batteries pourraient en réalité être surestimés.
Selon cette étude, une batterie lithium métal entièrement à état solide (ASSLMB) avec le principal candidat électrolyte solide LLZO (oxyde de lithium, lanthane, zirconium) n’offre qu’une augmentation marginale de la densité énergétique par rapport aux batteries Li‑ion actuelles, tout en engendrant des coûts de production élevés et des défis de fabrication.
D’après l’étude, l’ASSLMB atteindrait une densité énergétique gravimétrique de 272 Wh/kg contre 250‑270 Wh/kg pour les Li‑ion, rendant les électrolytes quasi‑solides des alternatives plus viables.
« Les batteries lithium métal entièrement à état solide ont été perçues comme l’avenir du stockage d’énergie, mais notre étude montre que les conceptions basées sur le LLZO peuvent ne pas offrir le bond attendu en densité énergétique. Même dans des conditions idéales, les gains sont limités, et les coûts ainsi que les défis de fabrication sont importants. »
– Auteur principal de l’étude, Eric Jianfeng Cheng du WPI-AIMR, Université de Tohoku
Bien que valorisé pour sa conductivité ionique et sa stabilité, une modélisation complète d’une batterie pratique basée sur le LLZO a remis en question l’idée qu’elle améliore considérablement la densité énergétique. Même avec un séparateur céramique LLZO ultra‑mince et une cathode à haute capacité, l’étude constate que les performances de la batterie ne sont que légèrement supérieures à celles des meilleures cellules lithium‑ion conventionnelles.
La densité du LLZO est le problème principal ici, car elle augmente la masse de la cellule et réduit les bénéfices énergétiques attendus. S’ajoutent la fragilité du matériau, les problèmes de dendrites de lithium, les difficultés à fabriquer des feuilles minces sans défauts et les vides à l’interface, ce qui complique la mise en œuvre à grande échelle. Selon Cheng :
« Le LLZO est un matériau excellent du point de vue de la stabilité, mais ses limites mécaniques et son poids supplémentaire créent de sérieux obstacles à la commercialisation. »
Voici, la combinaison du matériau avec des électrolytes à base de gel ou de polymère a montré une meilleure stabilité à long terme.
Découvrir des électrolytes solides prometteurs
Des chercheurs de l’Université des Sciences de Tokyo ont également découvert de nouveaux matériaux pour des SSLIB sûrs et à haute performance.
« Fabriquer des batteries secondaires lithium‑ion entièrement à état solide a longtemps été le rêve de nombreux chercheurs en batteries », a déclaré le professeur Kenjiro Fujimoto, qui a souligné qu’ils ont découvert un électrolyte solide à base d’oxyde, composant clé des ASSLIB.
Le matériau (Li1.25La0.58Nb2O6F) est très stable et présente une conductivité ionique totale de 3,9 mS cm⁻¹ à température ambiante, supérieure à celle des électrolytes solides à base d’oxyde précédemment rapportés, tout en ayant une énergie d’activation extrêmement faible.
De plus, s’il est endommagé, il ne s’enflammera pas, ce qui rend le nouveau matériau adapté aux applications où la sécurité est cruciale. Utilisable à haute température et supportant une recharge rapide, il convient également aux applications à haute capacité comme les VE.
« L’application de ce matériau est prometteuse pour le développement de batteries révolutionnaires pouvant fonctionner sur une large gamme de températures, du froid au chaud. »
– Prof. Fujimoto
Par ailleurs, à la fin de l’année dernière, des chercheurs de l’Université métropolitaine d’Osaka ont développé le Na2.25TaCl4.75O1.25 comme nouveau électrolyte solide.
Les chercheurs avaient précédemment développé l’électrolyte solide NaTaCl6, une combinaison de chlorure de sodium et de chlorure de tantale. Cette fois, l’équipe a ajouté du pentoxyde de tantale (Ta2O5), ce qui leur a permis d’atteindre une haute conductivité à température ambiante.
Il présente également une grande formabilité ainsi qu’une stabilité électrochimique supérieure à celle des chlorures conventionnels.
« Les résultats de cette recherche devraient contribuer de manière significative au développement d’électrolytes solides composites, en plus des électrolytes solides vitrifiés et cristallins développés à ce jour. »
– Professeur assistant Kota Motohashi de l’École supérieure d’ingénierie
Ils se concentrent maintenant sur l’illustration du mécanisme de conduction ionique des électrolytes solides composites ainsi que sur le développement de nouveaux matériaux.
Modifier la structure, éliminer les composants
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana‑Champaign ont, quant à eux, découvert que la structure hélicoïdale augmentait de façon significative la conductivité des électrolytes polymères à base de peptides à état solide par rapport aux homologues « bobine aléatoire », les hélices plus longues conduisant à une conductivité supérieure. De plus, la structure hélicoïdale augmente la stabilité globale du matériau face à la tension et à la température.
« Nous avons introduit le concept d’utiliser la structure secondaire – l’hélice – pour concevoir et améliorer la propriété matérielle de base de la conductivité ionique dans les matériaux solides. »
– Professeur principal de l’étude, Chris Evans
Il s’agit de la même hélice que l’on trouve dans les peptides en biologie. Le fait d’être composé de peptides signifie qu’une fois la batterie arrivée en fin de vie utile, le matériau peut être dégradé en unités monomères individuelles à l’aide d’acide ou d’enzymes, et les matières premières peuvent alors être récupérées et réutilisées, ce qui le rend respectueux de l’environnement.
Dans une autre étude intéressante, des chercheurs ont créé la première batterie sodium à état solide sans anode avec un cyclage stable pendant plusieurs centaines de cycles. Cette batterie peu coûteuse, à haute capacité et à charge rapide peut aider à décarboniser l’économie.
L’élimination de l’anode a nécessité une architecture innovante, ainsi l’équipe a créé un collecteur de courant utilisant de la poudre d’aluminium, qui, bien que solide, peut s’écouler comme un liquide, entourant l’électrolyte.
« Les batteries sodium à état solide sont généralement perçues comme une technologie lointaine, mais nous espérons que cet article pourra stimuler davantage d’efforts dans le domaine du sodium en démontrant qu’elles peuvent effectivement fonctionner très bien, voire mieux que la version lithium dans certains cas. »
– Premier auteur Grayson Deysher, doctorant à l’UC San Diego
Il est temps d’utiliser l’IA pour identifier rapidement les meilleurs candidats électrolytes solides
Dans le cadre de ces recherches intensives et continues sur les différents aspects des batteries à état solide, en particulier les électrolytes, afin de les améliorer et de favoriser leur adoption, les scientifiques utilisent désormais l’intelligence artificielle.
L’électrolyte est l’un des composants les plus cruciaux d’une batterie. Il transfère les particules porteuses de charge, appelées ions, entre les deux électrodes de la batterie, permettant la charge et la décharge.
Ainsi, l’accent est mis sur l’amélioration des performances de l’électrolyte à état solide (SSE), ce qui implique d’augmenter la conductivité ionique, la stabilité et la durée de vie en cycles. Cependant, les limites des matériaux actuels rendent difficile l’atteinte de ces améliorations.
Surmonter ces défis nécessite le développement de matériaux SSE haute performance, qui débloqueront le plein potentiel des batteries à état solide.
Les oxydes métalliques et les sulfures sont parmi les matériaux les plus étudiés comme SSE prometteurs. Ici, explorer les hydrures comme SSE, qui présentent une haute stabilité redox et mécanique ainsi qu’une conductivité ionique divalente moyenne à température ambiante, est particulièrement bénéfique.
Grâce à leur haute conductivité ionique et à leur faible énergie d’activation, les hydrures ont montré un grand potentiel dans le développement des SSE. Les hydrures métalliques, quant à eux, offrent des avantages distincts en raison de la faible masse des atomes d’hydrogène.
Cependant, la légèreté de l’hydrogène et le comportement complexe des hydrures divalents posent des défis en matière de synthèse et de caractérisation structurale, soulignant les limites des techniques expérimentales actuelles.
Le défi réside dans le fait que la découverte expérimentale des SSE dépend de méthodes d’essais et d’erreurs inefficaces et chronophages. Pour y remédier, nous avons besoin de recherches assistées par le calcul afin de comprendre les mécanismes de migration ionique et de découvrir de nouveaux électrolytes à état solide.
En réalité, les approches théoriques offrent généralement des moyens plus systématiques et rapides d’explorer les propriétés des matériaux. De plus, les avancées des grands modèles de langage (LLM) renforcent les méthodologies basées sur les données et améliorent les prédictions théoriques.
Cependant, obtenir une haute précision avec les méthodes théoriques reste difficile en raison de la complexité des matériaux SSE. Le fait que la recherche actuelle se concentre sur un seul matériau ou une seule méthode limite également la compréhension globale des SSE.
Alors, comment pouvons‑nous mieux exploiter les connaissances théoriques pour concevoir des expériences plus efficaces ? De plus, quel type de flux de travail optimal combine harmonieusement la modélisation théorique avec la validation expérimentale ? La réponse réside dans la combinaison d’informations computationnelles et expérimentales.
Afin de surmonter les obstacles liés aux SSE divalents, qui montrent un fort potentiel pour les batteries tout à fait à état solide (ASSB) haute performance, des chercheurs, dans une nouvelle étude, ont développé un flux de travail intégré combinant l’exploration de données, l’analyse pilotée par l’IA, la régression d’apprentissage automatique, la recherche de structures globales, les simulations métadynamiques ab initio (MetaD) et le benchmarking théorie‑expérience.
Cette recherche vise à améliorer notre compréhension des SSE divalents et à fournir un cadre robuste pour prédire et concevoir de nouveaux candidats SSE. En retour, elle accélérera la découverte d’options SSE optimisées afin de faire progresser les technologies de stockage d’énergie viables.
Vers les SSB de prochaine génération pour des solutions énergétiques durables
Pour construire avec succès des batteries à état solide plus puissantes et durables, les chercheurs de l’Université de Tohoku ont mis en place un cadre d’IA basé sur les données1.
Contrairement à l’approche traditionnelle, qui consiste à tester chaque matériau puis à définir les voies une par une, ce cadre identifie les candidats potentiels d’électrolyte à état solide (SSE) qui pourraient être « le bon » pour créer la solution énergétique durable idéale.
Le modèle développé ne se contente pas de sélectionner les candidats optimaux, il peut également prévoir comment la réaction se déroulera. De plus, il explique pourquoi un candidat particulier est un bon choix en fournissant des informations sur les mécanismes potentiels, aidant les chercheurs à démarrer avant même d’entrer au laboratoire.
Professor Hao Li of the Advanced Institute for Materials Research noted:
« Le modèle effectue essentiellement tout le travail fastidieux d’essais et d’erreurs pour nous. Il puise dans une vaste base de données d’études antérieures pour parcourir toutes les options potentielles et trouver le meilleur candidat SSE. »
Le cadre d’IA avancé de l’équipe s’intègre au Large Language Model (LLM), un type de modèle d’apprentissage automatique pré‑entraîné sur d’énormes quantités de données. Les LLM sont reconnus pour leur grande capacité à traiter, comprendre et générer le langage humain.
En incorporant d’autres techniques basées sur les données, le modèle prédictif s’appuie à la fois sur des données computationnelles et expérimentales. Ainsi, l’étude offre aux chercheurs une option solide avec les meilleures chances de succès.
En plus d’accélérer le développement de batteries à état solide haute performance et durables, l’étude vise également à comprendre les relations complexes entre structure et performance des SSE. Cette relation couvre des facteurs tels que la conductivité ionique, la stabilité et la compatibilité avec les électrodes, et est souvent étudiée via la modélisation computationnelle, l’analyse expérimentale et les approches basées sur les données.
Le modèle construit par l’équipe prédit également les énergies d’activation, identifie la structure cristalline stable et améliore le flux de travail global des chercheurs. Les résultats de l’étude montrent que la méthode MetaD est un excellent outil computationnel, démontrant une concordance substantielle avec les données expérimentales pour les hydrures SSE complexes.
Les chercheurs ont également identifié un nouveau système de transfert d’ions. Le mécanisme « à deux étapes » a été découvert dans les SSE issus de l’intégration de molécules neutres.
Ainsi, en combinant l’analyse des caractéristiques avec la régression linéaire multiple, l’équipe a pu développer avec succès des modèles prédictifs précis pour l’évaluation rapide des performances des SSE à base d’hydrure. Plus important encore, le cadre permet de prédire avec précision les structures candidates sans dépendre des données expérimentales.
Dans l’ensemble, l’étude fournit d’excellentes perspectives ainsi que des méthodologies avancées pour la conception efficace et l’optimisation des batteries à état solide de prochaine génération.
Mais ce ne sont que les premières étapes vers la construction de solutions énergétiques durables, l’équipe prévoyant d’étendre l’application de son cadre à diverses familles d’électrolytes. L’équipe s’attend en fait à ce que les outils d’IA générative soient utiles pour étudier les voies de migration ionique et les mécanismes de réaction, améliorant la capacité prédictive de la plateforme.
Investir dans le marché des batteries à état solide
En ce qui concerne une entreprise investissable dans le marché croissant des batteries à état solide, QuantumScape est à l’avant‑garde, en tant qu’acteur majeur axé sur la technologie lithium‑métal. Son séparateur céramique à état solide propriétaire est conçu pour améliorer la densité énergétique, la vitesse de charge et la sécurité tout en empêchant les problèmes critiques tels que la formation de dendrites, qui ont limité l’adoption de l’anode lithium‑métal.
QuantumScape Corporation (QS )
Développant la technologie SSB pour les VE et visant à devenir un fabricant d’équipement d’origine (OEM), QuantumScape Corporation a déjà conclu des partenariats avec le grand constructeur automobile Volkswagen Group et sa filiale PowerCo.
Tout en faisant face à des défis de commercialisation, QuantumScape reste un acteur majeur du secteur. L’année dernière, elle a commencé à produire des échantillons de ses différents produits SSB et prévoit d’en fabriquer davantage cette année.
(QS )
Avec une capitalisation boursière de 2,2 milliards de dollars, les actions QS se négocient actuellement à 3,90 $, en baisse de plus de 25 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de -0,91, et son PER (TTM) est de -4,30.
Pour le premier trimestre 2025, l’entreprise a déclaré 5,8 M$ de dépenses d’investissement, des frais d’exploitation GAAP de 123,6 M$ et une perte nette GAAP de 114,4 M$. Elle a terminé le trimestre avec 860,3 M$ de liquidités, la trésorerie devant durer jusqu’à la seconde moitié de 2028.
Cette année, l’entreprise vise à mettre le processus de séparateur Cobra en production de base, à améliorer la qualité et la production des échantillons QSE‑5, et à expédier des cellules QSE‑5 pour démontrer leurs performances exceptionnelles dans une application réelle.
Dernières nouvelles sur QuantumScape Corporation
Conclusion
Alors que les batteries jouent un rôle clé dans l’alimentation des appareils électroniques, des VE et des systèmes énergétiques, il est nécessaire de développer des matériaux énergétiques de prochaine génération afin de créer un avenir durable. Bien que les batteries à état solide offrent une solution prometteuse, leur développement rencontre d’importants défis techniques. Ce dont le développement des SSB a besoin, c’est d’améliorer les performances de l’électrolyte à état solide (SSE).
Ainsi, la recherche intense autour des SSE, qui s’apprête à s’accélérer davantage grâce au nouveau modèle d’IA basé sur les données, permet aux chercheurs d’identifier et d’optimiser les SSE avec une rapidité et une précision sans précédent, grâce à d’immenses ensembles de données et à des techniques de simulation avancées. Cette convergence entre science des matériaux et apprentissage automatique montre un énorme potentiel pour fournir des solutions de batteries à état solide haute performance et durables afin d’alimenter le futur de l’énergie propre.
Études référencées :
1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, E. J., Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S., & Li, H. (2025). Déconstruer la complexité des électrolytes hydrure divalents dans les batteries à état solide via un cadre basé sur les données avec un grand modèle de langage. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573
