Durabilité

Comment la technologie de batterie à état solide de Princeton pourrait transformer le stockage d’énergie

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La batterie ultime

As batteries have become the basis of EV powertrains, their performance and safety profile have improved. So far, this has been achieved with variations of lithium batteries, either lithium-ion (lithium-nickel-manganese NMC & lithium-nickel-cobalt-aluminum NCA) or lithium-ferrum-phosphate (LFP) batteries. It was a transformative technology that rightfully a valué ses inventeurs du prix Nobel de chimie 2019 (suivez le lien pour l’histoire de l’invention des batteries lithium-ion).

Jusqu’à présent, on s’attendait à ce que ces batteries continuent de dominer le marché des batteries, grâce à leur densité énergétique extrêmement élevée.

Source: S&P Global

Cependant, il existe une limite à la quantité d’énergie que les batteries lithium-ion classiques peuvent contenir. C’est pourquoi les chercheurs examinent d’autres options, dont l’une des plus susceptibles de porter leurs fruits est la batterie à état solide.

On s’attend à ce que les batteries à état solide soient plus sûres, plus denses en énergie et plus durables que les batteries lithium-ion traditionnelles. Cependant, elles sont très difficiles à fabriquer de manière fiable à grande échelle et à moindre coût, ce qui a ralenti leur adoption.

Cela pourrait changer, et de nouvelles connaissances sur les raisons d’échec des batteries à état solide proviennent de chercheurs de l’Université de Princeton, de l’Université Purdue, de l’Université du Michigan et du Laboratoire national de Brookhaven.

Ils ont publié leurs découvertes les plus récentes dans deux articles scientifiques dans Advanced Energy Materials1 et ACS Energy Letters2, respectivement, sous les titres “Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries” & “Filament-Induced Failure in Lithium-Reservoir-Free Solid-State Batteries”.

Ils ont également analysé l’état de l’art actuel de la science des batteries concernant les batteries sans anode et l’ont publié dans Nature Materials3, sous le titre “Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”.

Batterie à état solide sans anode

L’idée des batteries à état solide est de remplacer l’électrolyte liquide des lithium-ion par une couche de métal solide. C’est la principale source d’amélioration de l’efficacité, car les électrolytes sont lourds et volumineux.

Cela améliore également le profil de sécurité, car les solvants d’électrolyte sont généralement inflammables, créant de rares mais spectaculaires incendies de batteries qui ont terni la réputation des premiers véhicules électriques.

Une autre étape a été explorée récemment par les chercheurs, consistant à éliminer complètement la moitié de la batterie. Les batteries sont composées d’une cathode et d’une anode, chacune avec une charge électrique différente.

Les batteries sans anode suppriment complètement le besoin d’une anode,

“Au lieu de cela, les ions circulent de la cathode positive directement vers le collecteur de courant à l’extrémité opposée de la batterie. Les ions se déposent ensuite sur le collecteur de courant lui-même, formant une fine couche métallique lors de la charge de la batterie.”

Dans leur analyse actuelle de la technologie sans anode, les chercheurs de Princeton soutiennent que le principal problème pour faire progresser la technologie est une mauvaise compréhension de l’effet mécanique du cycle de charge-décharge, plus que des réactions chimiques.

Les mécanismes qui régissent le cycle de charge-décharge des batteries sans anode sont largement contrôlés par des phénomènes électro-chimo-mécaniques aux interfaces solide–solide, et il existe d’importantes différences mécanistiques lorsqu’on les compare aux batteries lithium-excès conventionnelles.

 Défis des batteries à état solide

Dans une batterie classique, la connexion aux électrodes (anode et cathode) est relativement simple, car l’électrolyte est sous forme liquide. Dans une batterie à état solide, le métal solide doit rester parfaitement en contact avec le collecteur de courant.

Si ce contact n’est pas parfaitement uniforme, les zones avec un bon contact deviennent des points chauds, tandis que les zones avec un mauvais contact forment des vides.

Pour comprendre pourquoi cela se produit, les chercheurs doivent avoir une compréhension parfaite du processus complexe qui se déroule pendant la charge et la décharge de la batterie. Ce n’est pas seulement un phénomène chimique, mais aussi mécanique, le matériau changeant légèrement de forme au fil du temps.

Dans le premier article, ils ont découvert que la pression peut jouer un rôle important dans la façon dont le métal à état solide réagit.

Problèmes de basse pression

Scanning electron microscopy reveals how lithium has increasing surface contact as pressure increases. So it means that too low pressure does not do enough to improve the uneven contact caused by those surface irregularities.

En fin de compte, le dépôt inégal a conduit à la formation de filaments métalliques tranchants qui, tels de petites aiguilles, peuvent percer l’électrolyte solide et provoquer un court-circuit de la batterie.

Problèmes de haute pression

While the high pressure can create uniform plating and stripping, it is not a magical solution.

Les chercheurs ont constaté que cela forçait l’électrolyte et le collecteur de courant à se rapprocher tellement que toute imperfection sur l’un ou l’autre était amplifiée jusqu’à ce que le stress mécanique provoque la formation de fissures.

En utilisant la tomographie X, les chercheurs ont réussi à cartographier ces fissures se formant sous haute pression.

Lorsque la pression de la pile augmente de 2 à 10 MPa, le volume total des fissures augmente. De nombreuses fissures s’étendent jusqu’au côté de l’électrode opposée (Figures 3b–e et S10), et un seul dendrite de lithium atteignant l’électrode opposée peut provoquer un court-circuit.

Dans l’ensemble, trouver le point optimal d’une pression suffisamment basse, mais d’un contact efficace, sera l’objectif final de l’industrie des batteries.

“Le Saint Graal dans ce domaine sera de découvrir comment maintenir un contact solide à basse pression, car fabriquer un électrolyte sans défaut est pratiquement impossible. Si nous voulons réaliser le potentiel de ces batteries, nous devons résoudre le problème de contact.”

Pr. Kelsey Hatzell – Professeur associé de génie mécanique et aérospatial

Meilleur dépôt

Obtenir un dépôt plus uniforme est le sujet du deuxième article publié par l’équipe du Pr Hatzell et leurs collaborateurs dans d’autres universités et laboratoires.

Ils ont découvert qu’une fine couche de revêtement entre le collecteur de courant et l’électrolyte facilite un meilleur transport des ions. Ils ont testé plusieurs conceptions pour ce revêtement.

En fin de compte, ils ont constaté que la meilleure option était des intercalaires composés de nanoparticules de carbone et d’argent. L’argent dans ces intercalaires formait des alliages avec les ions pendant la charge et la décharge de la batterie, permettant un dépôt et un décapage uniformes du collecteur de courant.

Cependant, les détails de la fabrication des particules d’argent sont très importants. Lorsqu’on utilise des nanoparticules plus grandes de 200 nm, elles formaient des structures métalliques fines et inégales sur le collecteur de courant. Cela réduisait la capacité et entraînait une défaillance de la batterie après plusieurs cycles de charge.

“Seuls quelques groupes ont étudié les processus réels qui se produisent dans ces intercalaires. Parmi d’autres résultats, nous avons démontré que la stabilité de ces systèmes est liée à la morphologie du métal lorsqu’il se dépose et se retire du collecteur de courant.”

Se Hwan Park – Chercheur postdoctoral à Princeton University

Les particules d’argent de 50 nm ont beaucoup mieux fonctionné, créant des structures plus denses et plus uniformes, conduisant à des batteries avec une plus grande stabilité et une puissance plus élevée.

“Ces résultats peuvent orienter la stratégie de fabrication de ces intercalaires.

En réduisant la taille des particules d’argent, nous pouvons nous assurer de ne retenir que les avantages de l’argent dans l’intercalaire, ce qui, à son tour, pourrait nous permettre d’obtenir un bon contact et un dépôt uniforme même à basse pression.

Se Hwan Park – Chercheur postdoctoral à Princeton University

Construire de meilleures batteries à état solide

Pendant longtemps, le concept de batterie à état solide a eu du mal à sortir du laboratoire et à atteindre la production industrielle à grande échelle.

Cela change maintenant, avec des pays comme la Chine, le Japon et la Corée du Sud qui ont des plans à court terme pour commercialiser les batteries à état solide.

Par exemple:

 “Le défi sera de passer de la recherche au monde réel en seulement quelques années. Nous espérons que le travail que nous menons actuellement chez MUSIC (Mechano-Chemical Understanding of Solid Ion Conductors) pourra soutenir le développement et le déploiement de ces batteries de prochaine génération à une échelle réellement importante.”

Pr. Kelsey Hatzell – Professeur associé de génie mécanique et aérospatial]

Investir dans les technologies avancées de batteries

Les batteries sont au cœur de la tendance de l’électrification, elle-même une initiative de plusieurs billions de dollars visant à éliminer les combustibles fossiles de nos sources d’énergie.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux batteries via de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur securities.io, nos recommandations des meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises spécifiques aux batteries, vous pouvez également vous tourner vers des ETF sur les batteries tels que Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), le Lithium & Battery Tech ETF (LIT) de Global X, ou le WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, qui offrent une exposition plus diversifiée pour profiter de la croissance de l’industrie des batteries.

Entreprise de batteries à état solide

QuantumScape

QS Graphique du prix

Depuis sa création en 2010, la société californienne Quantum Scape est une startup de premier plan dans le domaine des batteries à état solide, remarquable par son entrée précoce dans le secteur et son indépendance vis-à-vis des grands fabricants de batteries qui poursuivent également la technologie à état solide, comme CATL (300750.SZ), Samsung, ou LG Energy Solution (373220.KS).

Source: QuantumScape [securities_stock_price_tag symbol="QS" exchange="NASDAQ"]

Une caractéristique unique des batteries QuantumScape, qui à l’époque était considérée comme révolutionnaire, est qu’elles utilisent un design sans anode. Elles permettent une charge rapide d’environ 15 minutes (10‑80 % à 45 °C) et le séparateur est non inflammable et non combustible.

Source: QuantumScape

Cela place également les batteries QuantumScape dans une catégorie à part en termes de densité énergétique et de vitesse de charge, surpassant largement des leaders comme Tesla (TSLA ) (tant son propre design que les modèles fabriqués par CATL).

Source: QuantumScape

Cependant, ces performances remarquables ont régulièrement été freinées par des difficultés à augmenter la production. Cela a également contraint l’entreprise à brûler ses réserves de liquidités, entraînant une dilution des investisseurs précédents et une baisse du cours de l’action.

Cela semble changer, depuis l’accord de 2024 avec PowerCo, la division batteries du groupe Volkswagen, pour un accord de licence concernant la conception et la production en masse des batteries QuantumScape par PowerCo.

Dans le cadre de cet accord de licence non exclusif, PowerCo peut fabriquer jusqu’à 40 gigawattheures par an de batteries pour véhicules électriques, avec la possibilité d’étendre à 80 GWh par an.

L’augmentation soudaine de la production de QuantumScape semble liée à Cobra, l’équipement de séparateur de batterie à état solide de nouvelle génération de l’entreprise, une percée dans la fabrication de céramiques.

Globalement, Cobra devrait être intégré à la production en 2025 et le premier véhicule électrique fini utilisant les batteries QuantumScape devrait être produit en 2026.

Source: QuantumScape

Cela pourrait être un tournant pour l’entreprise, passant, 16 ans après sa création, d’une startup prometteuse avec une propriété intellectuelle intéressante à générer des revenus croissants grâce à un partenariat avec l’un des plus grands constructeurs automobiles du monde.

En attendant, les investisseurs doivent toujours s’attendre à une certaine volatilité du cours de l’action, mais avec une lueur au bout du tunnel du développement produit.

Dernières nouvelles sur QuantumScape

Référence d’étude :

1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filament-Induced Failure in Lithium-Reservoir-Free Solid-State Batteries. ACS Energy Letters. 22 février 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004 

2. Se Hwan Park, et al. (2024). Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries. Advanced Energy Material. 19 décembre 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129 

3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries. Nature Materials. 02 janvier 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z

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Jonathan est un ancien chercheur en biochimie qui a travaillé dans l'analyse génétique et les essais cliniques. Il est maintenant un analyste boursier et écrivain financier avec un focus sur l'innovation, les cycles de marché et la géopolitique dans sa publication The Eurasian Century.