Énergie
Batteries tout solide : électrolytes solides et défis de la commercialisation
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Batteries tout solide : électrolytes solides et défis de la commercialisation
Les batteries lithium-ion dominent dans les véhicules électriques, mais restent limitées notamment par leur densité énergétique, leur durée de vie et certains risques de sécurité.
Des dendrites métalliques peuvent, dans certaines conditions, provoquer des courts-circuits. Les électrolytes inflammables peuvent également contribuer au risque d’incendie.
Source: Nobel Prize
Les batteries tout solide emploient un électrolyte solide au lieu d’un liquide. Elles peuvent améliorer la densité énergétique et la sécurité, sans supprimer automatiquement les dendrites ni tous les autres risques.
Toyota a annoncé un objectif de commercialisation pour 2027–2028. Cette technologie pourrait contribuer à l’avenir de la mobilité.
Des difficultés subsistent, notamment avec les électrolytes solides de type grenat, comme le Li7La3Zr2O12, ou LLZO.
Des chercheurs de l’Université McGill, au Canada, ont étudié un nouvel électrolyte composite à base de LLZO. Leurs résultats ont été publiés dans Cell Reports Physical Science sous le titre « 4.8-V all-solid-state garnet-based lithium-metal batteries with stable interface ».
Électrolytes solides
LLZO
Une batterie tout solide possède bien un électrolyte. Celui-ci est solide, contrairement à l’électrolyte liquide de nombreuses batteries lithium-ion.
L’électrolyte assure le transport des ions entre les électrodes. Les principales familles comprennent les céramiques, les polymères et les composites associant plusieurs matériaux.
Un électrolyte composite peut associer un polymère à un matériau inorganique conducteur d’ions, comme le LLZO, pour faciliter le transport du lithium.
Le contact entre électrolyte et électrode constitue un défi important. Une bonne conductivité dans le matériau ne suffit pas si l’interface fonctionne mal.
LLZO poreux
Les chercheurs ont conçu une armature céramique poreuse plutôt qu’une structure dense conventionnelle.
Le composite associe une armature cubique poreuse de Li6.1Al0.3La3Zr2O12 au polyfluorure de vinylidène, PVDF, dans une structure tridimensionnelle continue.
À l’échelle microscopique, le matériau forme une structure tridimensionnelle complexe comportant de petits pores :
Source: Cell
Cette architecture améliore le contact entre les matériaux et peut faciliter le transport des ions ainsi que l’adhérence à l’électrode.
Source: Cell
Batteries plus stables et durables
Les batteries tout solide peuvent offrir une densité énergétique élevée, selon leurs matériaux et leur conception. La fabrication à grande échelle et le maintien des performances au fil des cycles restent difficiles.
Les chercheurs ont donc testé la résistance de la nouvelle interface lors de cycles de charge et de décharge.
Après 200 cycles, les analyses microscopiques n’ont pas révélé de fissuration ni de délaminage manifeste dans l’interface examinée.
Source: Cell
Le prototype a montré une résistance prometteuse à la formation de dendrites dans les conditions étudiées.
Des cellules symétriques lithium–lithium utilisant cet électrolyte composite ont fonctionné de manière stable pendant 1 000 heures à 0,1 et 0,5 mA/cm². Il s’agit d’un essai d’interface en laboratoire, et non de la durée de vie mesurée d’une batterie de véhicule.
Des avantages possibles pour la sécurité
Limiter les dendrites et réduire l’utilisation d’électrolytes liquides inflammables peut améliorer la sécurité. Les batteries complètes doivent néanmoins faire l’objet d’essais spécifiques.
L’électrolyte composite avait une épaisseur de 125 μm. Son épaisseur et ses propriétés mécaniques influencent la densité énergétique réalisable.
Le procédé utilise des matériaux et des techniques connus, mais ses coûts, sa qualité et son passage à l’échelle doivent encore être évalués.
Source: Cell
Ces résultats constituent un progrès de recherche sur la stabilité des interfaces. Ils ne démontrent pas que toutes les exigences de sécurité, de densité énergétique et de production industrielle sont déjà remplies.
Les batteries tout solide vont-elles s’imposer ?
Il reste incertain que les batteries tout solide deviennent la norme des véhicules électriques au cours des prochaines années.
Les batteries à électrolyte liquide progressent également. De nouveaux matériaux et de nouvelles structures peuvent réduire les dendrites et améliorer les performances.
C’est notamment le cas des batteries à structure en nid d’abeilles développées par CATL , qui visent elles aussi une densité énergétique élevée et une meilleure sécurité.
Mieux comprendre les matériaux aux échelles micro- et nanométriques peut améliorer les batteries. Aucune structure unique n’a toutefois éliminé le risque de dendrites dans tous les systèmes.
Investir dans la technologie des batteries
Les batteries au lithium ont permis le développement de l’électronique portable et contribué à l’électrification des transports.
Les batteries peuvent aussi soutenir des réseaux électriques intégrant davantage d’énergies renouvelables. L’électrification de l’aviation exige notamment une densité énergétique suffisante ; une étude de laboratoire ne garantit pas ces applications.
Les entreprises du secteur peuvent être accessibles par différents courtiers. Securities.io propose des comparatifs pour les États-Unis, le Canada, l’Australie, le Royaume-Uni, ainsi que plusieurs autres pays.
Pour répartir les investissements entre plusieurs entreprises du secteur des batteries, il est également possible d’étudier des ETF comme Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), le Lithium & Battery Tech ETF (LIT)de Global X, ou le WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF . Les portefeuilles, frais et risques varient selon les fonds. La diversification ne garantit aucun rendement.
Entreprises développant des batteries tout solide
QS Graphique du prix
QuantumScape (QS ) développe des batteries tout solide au lithium métal et travaille depuis plusieurs années à leur commercialisation.
Sa conception est dite sans anode dans l’état initial déchargé.
Lors de la charge, du lithium métallique se dépose sur le collecteur de courant et forme l’anode. « Sans anode » ne signifie donc pas absence d’anode pendant le fonctionnement. Cette conception peut améliorer la densité énergétique, sous réserve de maîtriser les matériaux et la fabrication.
Source: QuantumScape
Nous avons aussi abordé les batteries au sodium sans anode dans l’article « Des batteries tout solide au sodium sans anode pourraient réduire la dépendance au triangle du lithium ».
QuantumScape a repoussé plusieurs échéances de production à grande échelle, ce qui a influencé les attentes des investisseurs.
L’entreprise a toutefois annoncé plusieurs progrès en 2023 et 2024 :
- Une production plus régulière et une meilleure qualité.
- Une conception améliorée, avec des marges internes réduites, des collecteurs de courant plus fins et un cadre plus étroit.
- La livraison à des partenaires automobiles de cellules présentant une forte charge en matériau de cathode.
- Le développement de QSE-5, sa première cellule commerciale prévue. Des prototypes et des projets clients ne constituent pas encore une production de masse.
QuantumScape a publié des résultats prometteurs, mais il n’est pas possible d’affirmer que sa technologie est la plus mature de tous les développeurs.
Source: QuantumScape
L’accord avec PowerCo, filiale de Volkswagen
QuantumScape collabore avec Volkswagen, l’un des grands constructeurs automobiles mondiaux.
En juillet 2024, QuantumScape et PowerCo ont conclu un accord visant à industrialiser la technologie de batteries tout solide de QuantumScape.
Sous réserve d’atteindre les jalons techniques convenus, la licence permettrait à PowerCo de produire jusqu’à 40 GWh par an, avec une option portant ce plafond à 80 GWh. Il ne s’agit pas d’une capacité de production déjà installée.
La licence est non exclusive et soumise à redevances, ce qui permet à QuantumScape de travailler avec d’autres clients.
L’accord prévoit une avance de 130 millions de dollars, imputable sur les redevances futures. Son versement dépend de la réalisation de jalons définis.
QuantumScape estimait que cet accord pourrait prolonger son horizon de financement d’environ 18 mois, jusque dans l’année 2028. Cette prévision dépendait de plusieurs hypothèses.
Ce délai supplémentaire peut soutenir le développement et l’industrialisation, sans garantir des ventes ni la rentabilité.
La place future de QuantumScape dépendra des performances, des coûts, de la qualité industrielle et de la concurrence, notamment de CATL, BYD et Panasonic.
L’accord avec PowerCo montre un intérêt industriel pour cette technologie, mais ses conditions techniques et commerciales restent à remplir.
Source: QuantumScape
Les objectifs de Toyota pour 2027–2028 et les projets d’autres entreprises montrent la poursuite du développement. Ces calendriers ne prouvent pas que la technologie est déjà prête pour une adoption commerciale généralisée.
