La percée 4D‑STEM de Mizzou : Améliorer l’efficacité des batteries à l’état solide

Les batteries à l’état solide sont au centre de l’attention ces jours-ci. Elles gagnent progressivement du terrain dans l’électronique grand public et les véhicules électriques, représentant la plus grande part du marché mondial des batteries à l’état solide en 2022.

Les chercheurs estiment que les applications de batteries à l’état solide dans le secteur des VE croîtront de façon exponentielle au cours de la prochaine décennie, atteignant une taille de marché de US$4.3 billion by 2032. Il existe des raisons pour lesquelles les batteries à l’état solide sont prêtes à une croissance exponentielle. Essentiellement, il s’agit d’une technologie de batterie qui utilise un électrolyte solide au lieu d’électrolytes liquides, comme dans la technologie lithium‑ion. 

Les cellules à l’état solide se composent d’une cathode, d’un séparateur et d’une anode. La cathode peut être fabriquée avec les mêmes composés qu’une batterie lithium‑ion. En revanche, le séparateur est généralement fait de céramique ou de polymère solide, qui sert également d’électrolyte. L’anode est faite de lithium métal. 

Lors de la charge, les particules de lithium à l’intérieur de ces batteries se déplacent de la cathode à travers la structure atomique du séparateur et le contact électrique de l’anode, formant une couche solide de lithium pur. Le processus garantit que l’anode ne contient que des particules de lithium et possède un volume plus petit qu’une anode de technologie lithium‑ion à structure graphite. 

Bien que ces batteries soient encore en phase de développement, elles promettent de multiples améliorations par rapport aux batteries actuelles, notamment une densité d’énergie supérieure, une durée de vie plus longue, une sécurité accrue et une taille plus petite. Les perspectives prometteuses offertes par les batteries à l’état solide en ont fait un domaine attrayant pour les scientifiques qui souhaitent explorer davantage et voir ce qui pourrait être fait avec elles.

Un communiqué de presse récent sur une recherche de l’Université du Minnesota affirme que les chercheurs « crack the code on solid‑state batteries ». Dans les prochains segments, nous examinerons les raisons qui sous-tendent cette affirmation audacieuse. 

Ce que les chercheurs de l’Université du Minnesota ont accompli

La recherche, intitulée Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, démontre un flux de travail simple pour étudier la formation de l’interface cathode–électrolyte (CEI) à l’aide de la microscopie électronique à transmission à balayage 4D (4D‑STEM) qui ne nécessite pas d’assemblage SS‑LIB.

Aux points de contact entre l’électrolyte solide et le matériau actif de la cathode dans les batteries lithium‑ion à l’état solide, des couches d’interphase se forment, augmentant l’impédance de la cellule. Les chercheurs éliminent la nécessité d’un assemblage SS‑LIB et montrent les avantages du MoCl5:EtOH comme agent chimique de dé‑lithiation, ainsi que de la poudre de cathode LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) chimiquement dé‑lithiée en contact avec la poudre SE Li10GeP2S12 (LGPS), comme substitut CEI SS‑LIB.

Les chercheurs ont cartographié la composition et la structure des couches CEI à l’aide de 4D‑STEM, de la spectroscopie à dispersion d’énergie des rayons X (EDS) et de l’analyse de la fonction de distribution des paires d’électrons (ePDF). Leurs résultats suggèrent que des revêtements qui bloquent le transport des anions tout en permettant le transport des ions lithium et des électrons pourraient empêcher la formation d’interphase et réduire l’impédance dans les SS‑LIB. 

En décrivant la nature du revêtement, Young a déclaré :

« Les revêtements doivent être suffisamment fins pour empêcher les réactions, mais pas trop épais au point de bloquer le flux des ions lithium. 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 pour la compatibilité. »

Tout cela peut sembler trop technique, mais il existe une perspective plus simple pour comprendre la réalisation de la recherche.

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Faire face au problème de l’électrolyte liquide

Les batteries lithium‑ion reposent sur des électrolytes liquides, qui peuvent prendre feu s’ils sont endommagés ou surchauffés. Les chercheurs de l’Université du Missouri ont résolu ce problème en développant des techniques efficaces pour remplacer les liquides ou les électrolytes à base de gel par des électrolytes solides.

En détaillant le fonctionnement de leur solution, le professeur assistant Matthias Young, qui occupe des postes conjoints au College of Engineering et au College of Arts and Science de Mizzou, a déclaré :

« Lorsque l’électrolyte solide touche la cathode, il réagit et forme une couche d’interphase d’environ 100 nanomètres d’épaisseur — 1 000 fois plus petite que la largeur d’un cheveu humain. Cette couche bloque le déplacement facile des ions lithium et des électrons, augmentant la résistance et nuisant aux performances de la batterie. »

La percée la plus significative

Cependant, la réalisation la plus importante de l’équipe de recherche a été l’utilisation de la microscopie électronique à transmission à balayage en quatre dimensions (4D‑STEM). Ce qui rend cela révolutionnaire, c’est qu’ils ont pu examiner la structure atomique de la batterie sans la démonter, leur permettant d’acquérir une compréhension fondamentale des réactions chimiques internes et de déterminer l’ampleur des dommages causés par la couche d’interphase. 

Du point de vue des utilisateurs potentiels de ces batteries, la recherche et ses implications offrent un grand potentiel. 

Bénéfices attendus dans le monde réel

Les constructeurs automobiles mondiaux sont enthousiastes à propos des batteries à l’état solide car elles offriront une plus grande sécurité et une stabilité thermique accrue. La recherche que nous venons de discuter constitue une percée dans cette direction — un pas en avant immensément significatif. De plus, cette recherche pourrait conduire à des améliorations en matière de sécurité, de performance, de durée de vie des batteries, de coût et d’impact environnemental. 

Les scientifiques spécialisés dans les batteries à travers le monde sont optimistes quant à la nouvelle génération de batteries à l’état solide, qui émergera grâce à des recherches comme celle-ci, et qui finira par surmonter deux limites majeures des lithium‑ion conventionnels. Les cathodes riches en nickel permettront à l’industrie des batteries d’utiliser moins de cobalt dans la cathode. Deuxièmement, les chimies à l’état solide permettront aux fabricants de batteries d’utiliser du lithium métal dans l’anode.

Le premier facteur est crucial pour la croissance de ce secteur car le cobalt est rare, coûteux et difficile à exploiter. Il provient de pays aux lois minières faibles. Les chercheurs estiment que l’utilisation du lithium dans l’anode est importante car elle augmente la densité énergétique et améliore la sécurité.

En parlant de l’utilisation du lithium métal, Helena Braga, professeure associée de physique de l’ingénierie à l’Université de Porto au Portugal et chercheuse reconnue qui a travaillé avec Nobel Prize winner John Goodenough sur les batteries à l’état solide il y a une décennie, a déclaré :

« C’est pourquoi nous avons entamé ce voyage (à l’état solide) dès le départ – afin de pouvoir utiliser du lithium métal. »

Dans l’ensemble, cette technologie et cette technique basée sur la recherche peuvent conduire à des conceptions de batteries améliorées avec des performances et une sécurité accrues, pouvant impacter l’électronique grand public et les VE dans 3 à 7 ans.​

Cependant, la véritable valeur de cette recherche dépendra de la manière dont les entreprises et les sociétés fabriquant des batteries à l’état solide les adopteront avec succès et les mettront à l’échelle. Dans le segment suivant, nous examinons une telle entreprise, Solid Power, Inc. (SLDP ), qui se spécialise dans la technologie des batteries tout à l’état solide, en se concentrant sur des solutions de stockage d’énergie plus sûres et plus efficaces.​

Solid Power, Inc. (SLDP ) 

Solid Power se positionne comme un fournisseur de technologie de cellules de batterie tout à l’état solide qui offre des améliorations clés par rapport à la technologie lithium‑ion à base de liquide conventionnelle d’aujourd’hui et aux cellules hybrides de prochaine génération, y compris une haute énergie, une sécurité renforcée, une durée de vie plus longue et des économies de coûts. 

Les batteries de Solid Power permettent l’utilisation d’électrodes à capacité plus élevée comme le silicium à haute teneur et le lithium métal afin d’atteindre des performances à haute énergie. Elles deviennent plus sûres en éliminant le besoin des composants liquides et gélifiés réactifs et volatils. En conséquence, elles peuvent résister et fonctionner à des températures extrêmement élevées. L’entreprise estime que ses batteries peuvent offrir un avantage de coût de 15 à 35 % par rapport aux lithium‑ion existants au niveau du pack. 

Dans les prochains segments, nous présentons les trois variantes des batteries à l’état solide de Solid Power. 

Cellule EV au silicium 

Ces cellules sont équipées d’une anode à haute teneur en silicium offrant des taux de charge élevés et des capacités de température plus basses. Ces batteries sont alimentées par les électrolytes solides à base de sulfure propriétaires de l’entreprise. Enfin, sa cathode NMC est standard dans l’industrie et commercialement mature. 

Lithium métal

Les batteries Lithium Metal de Solid Power sont équipées de lithium métal et d’une anode à haute énergie. Cette catégorie de batteries est également alimentée par les électrolytes solides à base de sulfure propriétaires de Solid Power et par des cathodes NMC standard dans l’industrie et commercialement matures. 

Cellule à réaction de conversion 

Enfin, nous arrivons à la catégorie de batteries à cellule à réaction de conversion, qui sont équipées d’un anode à lithium métal à haute énergie, d’électrolytes solides à base de sulfure à coût ultra‑faible, et d’une cathode de type conversion à haute énergie spécifique. 

La technologie de batterie de Solid Power utilise des électrolytes solides à base de sulfure comme l’un de ses fondements les plus redoutables. La technologie assure l’élimination complète de l’électrolyte liquide inflammable et de la couche séparateur polymère d’une batterie lithium‑ion traditionnelle et la remplace par une couche solide qui, bien que mince, agit comme une barrière empêchant l’anode et la cathode de se toucher, ce qui court‑circuiterait la batterie. Elle agit également comme un électrolyte conducteur. L’électrolyte solide à base de sulfure de Solid Power offre la meilleure combinaison de conductivité, de fabricabilité et de performance au niveau de la cellule. 

La technologie d’électrolyte solide à base de sulfure de Solid Power utilise des matériaux abondants sur Terre. L’entreprise prévoit de mettre à l’échelle sa production d’électrolyte afin d’alimenter chaque année 800 000 véhicules électrifiés grâce à ses cellules de batterie tout à l’état solide d’ici 2028.

SLDP: dernières mises à jour

En décembre 2024, Solid Power a annoncé l’extension de son partenariat avec Ford jusqu’en 2025. Le troisième amendement à l’accord de développement conjoint reflétait l’engagement continu entre Solid Power et Ford pour repousser les limites de la performance des batteries de véhicules électriques. 

Les rapports ont cité l’extension du partenariat comme une étape importante pour les travaux de Solid Power visant à commercialiser sa technologie de batterie à l’état solide. Le partenariat prolongé avec Ford, un constructeur automobile mondial de premier plan, a souligné l’impact potentiel de la technologie de Solid Power sur l’industrie automobile.

En janvier 2025, l’entreprise a conclu un accord financier important avec le Département de l’Énergie des États‑Unis (DOE). L’entreprise a annoncé qu’elle avait obtenu jusqu’à 50 millions de dollars de financement pour améliorer ses capacités de production de matériau d’électrolyte solide à base de sulfure, essentiel pour les batteries de prochaine génération.

Le financement est intervenu dans le cadre d’un accord d’assistance avec une date d’effet au 1er janvier 2025, qui stipulait que Solid Power contribuerait à hauteur de 60 millions de dollars de ses fonds dans le cadre du partage des coûts. L’investissement visait à soutenir l’installation d’équipements nécessaires à la production continue, ce qui devrait renforcer l’échelle de fabrication de l’entreprise.

Dans le cadre de l’accord, Solid Power était tenu de se conformer à des exigences de reporting spécifiques et à des obligations de conformité. Le soutien du DOE a souligné l’importance de faire progresser la technologie des batteries pour le stockage d’énergie et les véhicules électriques, des secteurs essentiels à la transition vers une économie à faible émission de carbone.

Le partenariat de l’entreprise avec le DOE constitue une étape stratégique pour accélérer la commercialisation des batteries à l’état solide, qui promettent une densité énergétique plus élevée, une sécurité renforcée et une durée de vie plus longue par rapport aux batteries lithium‑ion conventionnelles.

Sur le plan financier, Solid Power a réalisé 20,1 millions de dollars de revenus en 2024, soit une hausse de 2,7 millions de dollars par rapport à 2023. Les dépenses d’exploitation étaient de 125,5 millions de dollars en 2024, contre 108,0 millions de dollars en 2023, en raison d’une augmentation des coûts de recherche et développement pour améliorer la performance de ses électrolytes et conceptions de cellules, la production d’électrolytes, les achats d’équipements soutenant les accords avec SK On, et l’expansion des opérations, y compris la mise en place d’opérations en Corée. La perte d’exploitation pour 2024 était de 105,3 millions de dollars, tandis que la perte nette était de 96,5 millions de dollars, soit 0,54 $ par action.

« En 2025, Solid Power continuera à faire progresser le développement de la technologie ASSB en améliorant la performance des électrolytes grâce aux retours de notre équipe de développement de cellules, en répondant aux exigences des partenaires et aux demandes des clients, en continuant d’innover tant sur les technologies d’électrolytes que de cellules, et en maintenant la discipline financière tout en investissant stratégiquement dans le développement et les capacités. »

– John Van Scoter, Président et Directeur Général de Solid Power

Batterie à l’état solide: perspectives d’avenir

L’avenir des batteries à l’état solide s’annonce passionnant, regorgeant de potentiel d’innovation. En 2024, par exemple, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une nouvelle batterie au lithium métal qui pouvait être chargée et déchargée au moins 6 000 fois — plus que toute autre cellule de batterie pouch — et pouvait être rechargée en quelques minutes.

Selon Xin Li, professeur associé de science des matériaux à SEAS et auteur principal de l’article détaillant la recherche et publié dans Nature Materials:

« Les batteries à anode en lithium métal sont considérées comme le saint graal des batteries car elles offrent dix fois la capacité des anodes en graphite commerciales et pourraient augmenter considérablement l’autonomie des véhicules électriques. »

Dans leurs recherches, Li et son équipe ont arrêté la formation de dendrites en utilisant des particules de silicium de taille micrométrique dans l’anode afin de restreindre la réaction de lithiation et de faciliter le dépôt homogène d’une couche épaisse de lithium métal. Lorsque les ions lithium se déplacent de la cathode vers l’anode pendant la charge, la réaction de lithiation était restreinte à la surface superficielle, et les ions se fixaient à la surface de la particule de silicium sans pénétrer davantage. 

« Dans notre conception, le lithium métal s’enroule autour de la particule de silicium, comme une coque de chocolat dur autour d’un noyau de noisette dans une truffe au chocolat. »

– Li

Les particules revêtues ont formé une surface homogène, assurant une distribution uniforme de la densité de courant et empêchant la croissance de dendrites. Et comme le dépôt et le décapage pouvaient se produire rapidement sur une surface uniforme, la batterie pouvait se recharger en seulement environ 10 minutes. 

Les chercheurs ont développé une version de cellule pouch de la taille d’un timbre‑poste, 10 à 20 fois plus grande que la cellule bouton utilisée dans la plupart des laboratoires universitaires. La batterie a conservé 80 % de sa capacité après 6 000 cycles, surpassant les autres cellules pouch du même niveau. Au cours du processus, les chercheurs ont révélé des dizaines d’autres matériaux qui pourraient potentiellement offrir des performances similaires. Selon Li :

« Des recherches antérieures avaient montré que d’autres matériaux, dont l’argent, pourraient servir de bons matériaux pour l’anode des batteries à l’état solide. »

Pour rendre le processus universel, une équipe de chercheurs a publié un article sur évaluation de la reproductibilité des performances des cellules de batterie tout à l’état solide.² Les chercheurs ont observé que la comparabilité interlaboratoire et la reproductibilité des performances de cyclage des cellules de batterie tout à l’état solide étaient mal comprises en raison du manque de configurations standardisées et de paramètres d’assemblage.

Les chercheurs ont proposé un ensemble de paramètres pour le reporting des résultats de cyclage des batteries tout à l’état solide et ont préconisé de rapporter les données en triplicat. Par exemple, une tension à circuit ouvert initiale de 2,5 à 2,7 V vs Li⁺/Li était un bon indicateur de cyclage réussi pour les cellules utilisant ces matériaux électroactifs.

La normalisation de la fabrication des batteries à l’état solide est cruciale car son utilisabilité est diversifiée. Alors que les fabricants de VE sont parmi les plus intéressés par le développement de batteries à l’état solide efficaces, même les chercheurs de la NASA ont signalé des progrès dans le développement d’un pack de batterie innovant qui était plus léger, plus sûr et plus performant que les batteries couramment utilisées dans les véhicules et les grands appareils électroniques aujourd’hui. 

Les chercheurs de la NASA ont expérimenté de nouveaux matériaux innovants qui n’avaient pas encore été utilisés dans les batteries. L’équipe a rapidement compris que l’architecture à l’état solide leur permettait de modifier la construction et l’emballage des batteries, réduisant le poids tout en augmentant la capacité de stockage d’énergie. Ils ont démontré que les batteries à l’état solide pouvaient alimenter des objets avec une capacité énorme de 500 watt‑heures par kilogramme — le double de celle d’une voiture électrique.

« Non seulement ce design élimine 30 à 40 % du poids de la batterie, mais il nous permet également de doubler voire tripler l’énergie qu’elle peut stocker, dépassant largement les capacités des batteries lithium‑ion considérées comme l’état de l’art. »

– Rocco Viggiano, chercheur principal de SABERS

SABERS est l’acronyme de l’activité désignée par la NASA, « Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety ».

Comme son nom l’indique, l’avenir des batteries à l’état solide prospérera grâce à ces aspects de recharge rapide et de sécurité. Les fabricants chercheront de plus en plus à développer des batteries qui se rechargent plus rapidement sans rendre le processus dangereux.

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