Une percée dans le domaine des piles rapproche les variantes à l'état solide de la réalité

Les batteries à l'état solide pour dominer les VE

Bien que les batteries lithium-ion soient devenues la solution dominante pour les systèmes de batteries des véhicules électriques, elles souffrent de quelques limitations.

L'une d'entre elles est une densité énergétique encore insuffisante, et une autre est un problème de sécurité lié à la croissance de dendrites qui percent la batterie et à l'électrolyte qui prend parfois feu.

Source : Prix Nobel

Ces deux problèmes devraient être résolus grâce aux piles à l'état solide, qui éliminent le besoin d'électrolytes et le risque de dendrites.

Toyota prévoit l'utilisation de ces batteries à l'état solide d'ici 2027.et, d'une manière générale, il semble être un candidat solide pour l'obtention d'une licence d'exploitation d'une entreprise. l'avenir de la mobilité.

Cependant, certains problèmes persistent, notamment en ce qui concerne l'électrolyte solide de type grenat, également connu sous le nom de Li7La3Zr2O12 ou LLZO (voir ci-dessous).

C'est donc une bonne nouvelle que quatre chercheurs de l'université McGill, au Canada, aient annoncé avoir créé un nouveau modèle de LLZO capable de fournir une quantité accrue d'énergie. Ils ont publié leurs résultats dans Cell Reports Physical Science dans un article intitulé "Piles au lithium-métal à base de grenat à l'état solide de 4,8 V avec interface stable".

Électrolyte à l'état solide

LLZO

On dit généralement que les batteries à l'état solide n'ont pas besoin d'électrolytes. Cette affirmation est techniquement correcte lorsqu'il s'agit de l'électrolyte liquide couramment utilisé dans les batteries lithium-ion.

Mais bien sûr, toute batterie a besoin d'une sorte de pont entre l'anode et la cathode pour fonctionner. Il existe trois types d'électrolytes solides : les électrolytes céramiques, les électrolytes polymères et les électrolytes composites.

Les électrolytes composites à l'état solide (CSE) mélangent des SE polymères avec des charges inorganiques conductrices d'ions comme Li7La3Zr2O12 (LLZO) pour faciliter les transports de lithium-ion.

Bien que cette méthode soit idéale pour les opérations à haute tension dans les batteries denses, elle souffre d'un mauvais contact avec l'électrode, ce qui réduit l'efficacité globale.

Poreux LLZO

Ce que les chercheurs ont découvert, c'est que le LLZO peut être fabriqué à partir d'une membrane céramique poreuse, au lieu de la plaque sensorielle habituelle. En termes plus techniques :

Nous concevons ici un électrolyte solide composite à base de grenat, hautement conducteur et respectueux des interfaces, composé d'un cadre poreux cubique Li6.1Al0.3La3Zr2O12 et de polyfluorure de vinylidène (PVDF) avec une structure continue tridimensionnelle.

Visuellement, cela se traduit par une structure 3D très complexe, pleine de petits trous à l'échelle microscopique :

Source : Cellule

Cela crée une grande surface de contact pour le lithium-ion, tout en offrant une forte adhérence à l'électrode.

Source : Cellule

Des piles plus stables et plus durables

Les batteries à semi-conducteurs sont globalement beaucoup plus puissantes et denses en énergie que les batteries lithium-ion. Mais il a été difficile de les fabriquer à grande échelle de manière à ce qu'elles puissent supporter de nombreux cycles de charge-décharge sans perdre de leur capacité.

Les chercheurs ont donc testé les piles pour voir si l'interface d'électrodes qu'ils avaient créée était aussi solide qu'ils le pensaient.

Après 200 cycles, ils l'ont étudié au microscope et n'ont trouvé aucune trace de dégradation, comme des fissures, des décollements, etc.

Source : Cellule

Dans l'ensemble, le prototype de batterie présente une excellente résistance, notamment à la formation de dendrites.

Les cellules symétriques Li-Li basées sur le CSE à base de céramique peuvent fonctionner de manière stable pendant 1 000 heures à 0,1 et 0,5 mA cm-2, ce qui indique une excellente stabilité électrochimique contre le métal Li et même le dépôt de Li+ (suppression de la dendrite).

Meilleur profil de sécurité

La réduction drastique de la formation de dendrites, ainsi que l'absence d'électrolytes inflammables, devraient contribuer à accroître considérablement la sécurité des piles au lithium.

L'épaisseur du CSE à base de céramique n'étant que de 125 μm, cette technologie est également très compétitive pour créer des batteries à l'état solide très denses en énergie.

Il convient également de noter que, même si elle n'est pas simple, la technique utilisée pour créer la LLZO améliorée ne nécessite pas de métaux rares, de machines rares ou d'étapes complexes qui sortent de l'ordinaire dans la fabrication des batteries.

Source : Cellule

Dans l'ensemble, il devrait donc s'agir d'une étape importante dans l'amélioration des caractéristiques des piles à l'état solide dans tous les domaines importants : stabilité, sécurité, densité énergétique et facilité de production.

Les piles à l'état solide sont-elles en train de gagner ?

Cela ne veut pas dire que les batteries à semi-conducteurs deviendront certainement la nouvelle norme pour les batteries des véhicules électriques dans les années à venir.

Les batteries lithium-ion pourraient également être en mesure de rivaliser. Cela est principalement lié à l'amélioration de la conception, des nanopores similaires contribuant à réduire la formation de dendrites.

Notamment, batteries en nid d'abeille développées par le leader mondial de la fabrication de batteries CATL pourrait atteindre un profil de sécurité et une densité énergétique similaires à ceux de certaines batteries à semi-conducteurs.

Dans l'ensemble, il semble qu'une compréhension plus approfondie du matériau des batteries, en particulier à l'échelle micro et nanométrique, et l'utilisation de nanopores soient la voie à suivre pour continuer à améliorer les performances des batteries et éliminer définitivement le risque causé par la formation de dendrites.

Investir dans la technologie des batteries

Les piles au lithium ont déjà changé le monde à plusieurs reprises, en permettant aux gens d'emporter partout des appareils électroniques de pointe ou en alimentant les voitures uniquement avec de l'électricité.

Ils pourraient encore le faire, ou d'autres types de batteries, en permettant un réseau d'énergie renouvelable de 100% ou en permettant l'électrification des avions lorsqu'ils atteindront une densité énergétique suffisamment élevée.

Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux batteries par l'intermédiaire de nombreux courtiers. Vous trouverez ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers en les États-Unis, Canada, Australie, le Royaume-Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n'êtes pas intéressé par la sélection de sociétés de batteries spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers les ETF biotechnologiques tels que Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)Les X globaux, les X globaux ETF Lithium & Battery Tech (LIT)ou le WisdomTree Battery Solutions UCITS ETFqui offrira une exposition plus diversifiée afin de tirer parti de la croissance du secteur des batteries.

Entreprises du secteur de l'état solide

Longtemps pressentie pour être l'une des premières entreprises à commercialiser des batteries à l'état solide, QuantumScape a été à la pointe du développement de cette technologie.

Les batteries QuantumScape utilisent du lithium métal, des batteries anodiques.

Les batteries sans anode stockent les ions dans un dépôt électrochimique de métal alcalin directement sur le collecteur de courant. Cela permet d'augmenter la tension de la cellule, de réduire son coût et d'accroître la densité énergétique.

Source : QuantumScape

(nous avons également abordé le concept de piles sans anode dans le contexte des piles au sodium dans "Les piles au sodium à l'état solide sans anode pourraient réduire la dépendance à l'égard du "triangle du lithium").

QuantumScape a toutefois régulièrement retardé la date prévue pour la production de masse de ses batteries, ce qui a refroidi l'enthousiasme initial des investisseurs pour l'entreprise.

Cette situation pourrait changer grâce à quelques développements clés en 2023 et 2024 :

• Amélioration de la cohérence et de la qualité de la production.
• Amélioration de la conception de l'emballage, y compris des marges internes plus étroites, des collecteurs de courant plus minces et un cadre plus fin.
• Expédition de cellules unitaires à forte charge cathodique à des partenaires OEM (Original Equipment Manufacturer) de l'industrie automobile.
• Annonce du lancement de QSE-5, le premier produit commercial de l'entreprise, avec un client potentiel dans le secteur automobile.

Dans l'ensemble, QuantumScape semble être de loin l'entreprise de semi-conducteurs disposant de la technologie la plus mature, en particulier en ce qui concerne la durabilité de la batterie.

Source : QuantumScape

Marché avec Volkswagen

Plus important encore, l'entreprise fait de réels progrès dans l'établissement d'un partenariat avec Volkswagen, le 2^nd le plus grand constructeur automobile au monde.

En juillet 2024QuantumScape a signé avec Volkswagen un accord de collaboration pour la fabrication de cellules de batteries basées sur la conception QSE-5.

Cette licence permettrait à PowerCo de fabriquer et de vendre des batteries automobiles pour un volume annuel de 40 GWh, extensible à 40 GWh supplémentaires.

Il s'agit d'une licence de propriété intellectuelle non exclusive et assortie de redevances, qui permet à QuantumScape de continuer à vendre à tout autre client potentiel.

Peut-être plus important encore pour apaiser les inquiétudes des investisseurs à l'égard de l'entreprise, celle-ci versera également une redevance initiale de $130M, à valoir sur les redevances futures, payées par PowerCo, la filiale de Volkswagen spécialisée dans les batteries.

L'entreprise dispose ainsi de 18 mois de liquidités supplémentaires par rapport aux prévisions précédentes, ce qui lui permet d'aller jusqu'en 2028.

Ce délai devrait être plus que suffisant pour augmenter la production et commencer à enregistrer des revenus solides.

Ainsi, tant que les batteries QuantumScape offrent des performances adéquates, elles devraient pouvoir trouver leur place sur le marché aux côtés des batteries fabriquées par des entreprises plus importantes telles que CATL, BYD et Panasonic.

Étant donné que Volkswagen a probablement testé de manière approfondie ses propres prototypes QuantumScape et étudié la montée en puissance de la production, le récent accord semble être une approbation solide de la technologie de l'entreprise.

Source : QuantumScape

En outre, l'échéance parallèle de 2027 fixée par Toyota pour la commercialisation des batteries à l'état solide semble indiquer qu'après de nombreux faux départs, la technologie atteint aujourd'hui un stade de maturité suffisant.