Petits ajustements pour de grands changements – Les textures des métaux mous constituent-elles une percée pour les batteries ?

Les batteries sont omniprésentes. Notre ère technologique moderne ne peut pas avancer ou prospérer sans des batteries fabriquées efficacement et performantes. Les batteries sont présentes dans les véhicules électriques, les appareils mobiles, le stockage d’énergie renouvelable, et bien plus encore. 

Si nous examinons les chiffres de croissance, le potentiel est exponentiel. Entre 2022 et 2030, la demande mondiale de batteries lithium‑ion, par exemple, devrait augmenter près de sept fois, atteignant 4,7 térawattheures en 2030. Les experts du marché attribuent une part importante de cette croissance à la popularité croissante des véhicules électriques, qui dépendent fortement des batteries lithium‑ion. En 2024, les VE représentaient plus de 80 % de la demande mondiale de batteries lithium‑ion. 

Soutenir cette croissance extraordinaire nécessiterait d’augmenter la production de batteries. Et cette montée en échelle ne peut être soutenue que par l’innovation. La bonne nouvelle, c’est que des chercheurs du monde entier s’y attèlent. Ils explorent constamment de nouveaux matériaux, conceptions, configurations et chimies. 

Cependant, il est également crucial de vérifier si ces explorations optimisent les ressources disponibles. Et dans cette analyse, les chercheurs ont découvert que la texture des métaux est un aspect qui a été historiquement négligé. 

En expliquant la nature exacte de cet oubli, l’UChicago PME Prof. Shirley Meng, le professeur de la famille Liew en ingénierie moléculaire, a déclaré :

“Il existe un manque de compréhension de l’orientation des grains, également appelée texture, et de la façon dont ce facteur influence les performances des batteries rechargeables à métal.”

La solution provient du Laboratoire de stockage d’énergie et de conversion de Meng et de son partenaire industriel, Thermo Fisher Scientific (TMO ). Plus précisément, elle provient d’un article rédigé par Meng et ses co‑chercheurs. L’article s’intitule ‘Grain Selection Growth of Soft Metal in Electrochemical Processes.‘

Expérimenter pour une meilleure texture afin d’améliorer les batteries

Par le terme « texture », les chercheurs désignent l’orientation des grains qui est orientée dans une direction particulière plutôt que d’être distribuée aléatoirement. La diffraction d’électrons rétro‑diffusés par faisceau d’ions focalisé par plasma (PFIB‑EBSD) aide à caractériser la texture du métal sous diverses conditions de placage et de décapage électrochimiques. 

Dans l’étude¹, les chercheurs ont souligné la compétition entre l’énergie de surface et l’énergie de contrainte pour la formation de la texture des métaux alcalins. Plus particulièrement, ils ont tenté de comprendre comment la dominance de la diffusion atomique et de l’énergie de surface des métaux alcalins sur la croissance de sélection des grains pendant les processus électrochimiques agit comme clé pour expliquer les contraintes cinétiques des batteries à l’état solide utilisant des anodes métalliques, notamment à température ambiante. L’objectif ultime de cette recherche et des connaissances qui en découlent était d’obtenir des textures désirables grâce à l’ingénierie d’interface afin d’améliorer l’efficacité du placage/décapage à des densités de courant élevées.

Les chercheurs ont réalisé une série d’étapes dans leur quête de compréhension de ce qui pourrait être la texture parfaite pour les batteries métalliques. Ils ont caractérisé la texture du métal mou sous diverses conditions, développé une théorie thermodynamique et un modèle de champ de phase pour la formation de la texture, identifié des textures désirables pour améliorer l’efficacité du placage/décapage, et – enfin – conçu une couche interfaciale pour une croissance de grains souhaitable. 

Quelles sont les réalisations de la recherche ?

Selon les mots de l’UChicago PME Research Assoc. Prof. Minghao Zhang, le premier auteur du nouveau travail, les chercheurs ont « découvert que l’ajout d’une fine couche de silicium entre le lithium métal et le collecteur de courant aide à créer la texture désirée ».

Les chercheurs ont déduit que le « changement a amélioré la capacité de débit de la batterie d’environ dix fois dans les batteries tout‑solide utilisant du lithium métal ».

Mais qu’est-ce qui a conduit les chercheurs à découvrir ce qui était correct et optimal ?

Les chercheurs ont commencé avec le postulat que la texture idéale pour une anode de batterie serait celle où les atomes pourraient se déplacer rapidement le long du plan de surface, car un mouvement plus rapide aide les batteries à se charger et se décharger plus vite. Pour modifier la façon dont elle est texturée, ce qui importait était les différences d’énergie de surface du métal mou.

Selon le professeur Minghao Zheng :

“Étant donné que les batteries avec lithium ou sodium métal dépendent de ces textures pour une capacité de débit favorisée, l’équipe s’est demandé si ajuster la texture des métaux mous pouvait améliorer les densités de puissance.”

La réalisation de l’objectif dépendait fortement de l’utilisation efficace de la technologie microscopique, qui impliquait le fraisage au sein d’un microscope électronique à balayage à faisceau d’ions focalisé par plasma (PFIB‑SEM) avec cartographie de diffraction d’électrons rétro‑diffusés (EBSD). La combinaison efficace de ces deux méthodes pouvait aider à étudier la texture de nouvelles manières. 

En détaillant l’utilité de la technologie microscope déployée pour la recherche, le co‑auteur de l’étude Zhao Liu, Senior Market Development Manager de Thermo Fisher Scientific, a déclaré :

“La combinaison PFIB‑EBSD est bien adaptée à cette étude, car le PFIB peut accéder efficacement à la zone d’intérêt au sein de la pile de cellules, produisant une surface de haute qualité avec peu de défauts, tandis que l’EBSD fournit des informations détaillées sur la texture du métal mou.”

En plus de son partenaire industriel, les chercheurs se sont également associés au LG Energy Solution’s Frontier Research Laboratory, dans le but de travailler à la commercialisation de la technologie. 

Selon le chercheur principal de LG Energy Solution, Jeong Beom Lee, la recherche aiderait à développer les batteries de prochaine génération pour les véhicules électriques et les applications de stockage d’énergie. 

Quelles sont les prochaines étapes envisagées par les chercheurs ?

À l’avenir, les chercheurs ont deux objectifs clairs. Premièrement, ils souhaitent réduire la pression utilisée lors des tests de 5 mégapascals (MPa) à 1 MPa, la norme industrielle actuelle pour les batteries commercialement disponibles. Deuxièmement, ils veulent étudier l’impact de la texture sur le sodium, qui, selon les conclusions de Meng, pourrait devenir une alternative peu coûteuse et facilement disponible au lithium. 

Autres recherches sur les matériaux des batteries Li-ion

Alors que la recherche actuelle représente une percée, des efforts de recherche similaires ne sont pas rares. Une revue de la recherche effectuée sur de telles batteries – publiée dans Materials Today – a souligné le fait que bien que les batteries Li-ion offrent des avantages clairs en tant que batteries à haute densité énergétique, longue durée de cycle et haute efficacité aujourd’hui, la recherche se poursuit sur de nouveaux matériaux d’électrode afin de repousser les limites du coût, de la densité énergétique, de la densité de puissance, de la durée de cycle et de la sécurité.

Alors que les chercheurs examinaient les options prometteuses de matériaux d’anode et de cathode disponibles, ils ont constaté que beaucoup d’entre elles souffraient de problèmes de conductivité électrique limitée, de transport de Li lent, de dissolution ou d’autres interactions défavorables avec l’électrolyte, de faible stabilité thermique, d’une forte expansion volumétrique et de fragilité. Les solutions disponibles à ces problèmes impliquaient l’introduction de cathodes à intercalation sur le marché. Cependant, la vitesse à laquelle la technologie des matériaux de conversion atteignait la commercialisation était lente. 

En parlant de commercialisation et de montée en échelle, nous devrions maintenant nous tourner vers les entreprises capables d’accomplir beaucoup grâce à une telle recherche technologique de pointe. 

1. Samsung

En août 2024, Samsung SDI de Corée du Sud a conclu un accord avec General Motors (GM ) pour construire une usine commune de batteries pour véhicules électriques aux États-Unis, dans l’État de l’Indiana. Grâce à cet accord, les deux entreprises ont décidé de construire conjointement une usine de fabrication de cellules de batterie d’une capacité de production annuelle de 27 gigawattheures. 

Plus tôt, en 2022, Samsung SDI Co., le sixième plus grand fabricant de batteries au monde, et le constructeur automobile multinational néerlandais Stellantis N.V (STLA ). avaient choisi l’État de l’Indiana comme site pour une usine commune de batteries pour véhicules électriques aux États-Unis. 

Le fabricant visait à produire 23 gigawattheures (GWh) de cellules de batterie prismatiques et de modules par an, selon le plan pour le premier semestre 2025 pour les usines automobiles de Stellantis en Amérique du Nord. 

En ce qui concerne la production de batteries, Samsung SDI propose une gamme de solutions, incluant les véhicules électriques, les systèmes de stockage d’énergie, la micro‑mobilité, les dispositifs de puissance et les appareils informatiques. 

Pour les VE et les VHE, l’entreprise fabrique des batteries à haute capacité, haute densité énergétique et charge rapide, avec un leadership dans la production de masse de batteries à l’état solide. Pour les solutions de stockage d’énergie, Samsung SDI propose des produits de batterie allant des solutions domestiques aux solutions utilitaires, commerciales et industrielles intégrées aux sources d’énergie renouvelable, ainsi que des solutions d’alimentation sans interruption (ASI).

Dans la micro‑mobilité, Samsung SDI fabrique des batteries pour les transports de dernier kilomètre légers, sous forme de trottinettes électriques, vélos électriques et scooters électriques. Dans ce segment, l’entreprise exploite des matériaux et des technologies de composants de haut niveau pour fabriquer les meilleures batteries disponibles. 

Pour les vélos électriques, Samsung SDI fabrique des batteries à haute densité énergétique et sécurité. Ces batteries sont plus fines et plus légères. 

Pour les deux‑roues électriques – comme les scooters et motos électriques – Samsung SDI développe des batteries cylindriques. Ces batteries sont construites avec des matériaux à haute capacité, des conceptions structurelles uniques et une qualité constante, les rendant sûres et adaptées à des performances optimales, une longue durée de vie et une sécurité. 

Pour les dispositifs de puissance, Samsung SDI propose des batteries à haute sortie et haute capacité. Elle fournit également des solutions de batteries OPE optimales avec une haute densité énergétique, une sortie de puissance stable et une longue durée de vie. Elle fabrique aussi des batteries avec une capacité et une puissance différenciées. Enfin, Samsung SDI produit également des batteries très performantes et à longue durée de vie pour les appareils informatiques, y compris les smartphones et les wearables. 

Fin janvier 2025, Samsung a annoncé les résultats du quatrième trimestre 2024 et de l’année complète avec un chiffre d’affaires annuel de 16,59 trillions KRW (11,55 milliards $) et un bénéfice d’exploitation annuel de 363,3 milliards KRW malgré le ralentissement du marché. Au quatrième trimestre, le chiffre d’affaires de l’entreprise s’élevait à 3,75 trillions KRW, enregistrant un chiffre d’affaires record dans le secteur des batteries ESS.

2. LG Energy Solutions

En décembre 2024, LG Energy Solutions a engagé des discussions avec JSW Energy (JSWENERGY.BO ) de l’Inde pour fabriquer des batteries pour véhicules électriques et le stockage d’énergie renouvelable dans une coentreprise nécessitant un investissement de plus de 1,5 milliard de dollars. Selon des rapports publics, les deux entreprises ont signé un accord initial pour former un partenariat égal où LGES apportera la technologie et l’équipement de fabrication de batteries, et JSW investira les fonds, selon une source.

Dans l’ensemble, l’entreprise est connue pour les batteries Energy Storage Solution (ESS) et les batteries automobiles avancées. La division ESS propose des produits à haute énergie et haute puissance pour les réseaux électriques et divers produits domestiques. Ces batteries sont produites avec une technologie de cellules de batterie de première qualité dérivée de l’application d’un savoir-faire avancé de processus de laminage et d’empilement, une technologie propriétaire de LG.

Ces batteries offrent une sortie d’énergie uniforme, une longue durée de vie et une structure stable. Les batteries LG ESS bénéficient également d’une efficacité spatiale améliorée grâce à leur taille compacte. En appliquant des cellules de batterie polymère ultra‑minces à haute capacité dans le développement d’ESS pour le réseau et le résidentiel, l’entreprise produit des produits minces qui maximisent l’utilisation de l’espace et nécessitent une surface d’installation minimale. 

LG Energy Solutions est également le principal fournisseur de cellules, de modules, de BMS (système de gestion de batterie) et de produits pack pour les batteries de véhicules électriques. Les solutions comprennent des batteries à haute densité énergétique, légères et à charge rapide.

Les différentes dimensions de ces batteries assurent une maximisation de l’espace en résolvant le problème de l’espace limité des véhicules commerciaux. Les cellules de batterie de type pouch peuvent être produites dans diverses longueurs et largeurs et sont propices à l’augmentation de la capacité de la batterie et à l’optimisation. 

Dans la dernière semaine de janvier 2025, LG Energy Solution a annoncé ses résultats du quatrième trimestre et de l’année complète. Pour l’année complète, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires consolidé de 25,6 trillions KRW et un bénéfice d’exploitation de 575,4 milliards KRW, soit une baisse annuelle de 24,1 % et 73,4 % respectivement. La marge bénéficiaire d’exploitation était de 2,2 %, incluant l’effet du crédit d’impôt IRA.

L’avenir des batteries

L’avenir de la technologie des batteries et de la gestion des batteries viserait des améliorations dans plusieurs domaines. Il rechercherait une énergie spécifique et une densité énergétique améliorées (plus d’énergie stockée par volume/poids), une durée de vie plus longue, moins de combustibilité, moins de temps requis pour une charge complète, et une réduction du coût nivelé de l’énergie (LOCE). 

Les chercheurs ont étudié la trajectoire technologique des batteries Li-ion pour la période 2019-2030. Ils ont mentionné quatre types de configurations technologiques probables : Li-ion conventionnel, anode Gr‑Si ou cathode Hi‑Ni, batteries à l’état solide, et lithium‑soufre/air. Les chiffres suggèrent que les nouvelles technologies de batteries sont toutes prêtes à dépasser le Li-ion conventionnel au cours de la prochaine décennie. 

L’émergence de nouvelles technologies de batteries reconsidérerait le choix des matériaux d’anode et de cathode. Par exemple, une batterie utilisant une cathode LFP a une densité énergétique inférieure à celle utilisant du NMC. Le choix du matériau de cathode est important car il affecte significativement l’énergie spécifique au niveau de la cellule complète.

Le choix du matériau d’anode est également crucial. Le matériau d’anode, généralement le graphite, offre un espace pour que les ions lithium restent lorsque la batterie est chargée. Le nombre d’ions lithium stockés est directement lié à la quantité d’énergie électrique stockée.

Les chercheurs observent une transition progressive dans la technologie des cathodes, passant d’un pourcentage typique de Ni de 50 % vers 80 % et 90 % respectivement pour les batteries NMC et NCA. Pour répondre aux besoins de capacité fournis par les cathodes à pourcentage élevé de Ni, l’ajout d’une petite quantité d’oxydes de silicium ou de silicium pur dans les anodes en graphite gagne en popularité auprès des fabricants de cellules, selon les rapports.

Les cinq nouvelles technologies de batteries qui sont attendues pour redéfinir l’avenir impliquent les batteries au lithium‑tungstène NanoBolt, les batteries à oxyde de zinc‑manganèse, les batteries à électrolyte organosilicium, les batteries à électrolyte gel à nanofils d’or, et les batteries TankTwo String Cell™. 

Les batteries au lithium‑tungstène NanoBolt, par exemple, se chargent plus rapidement et stockent davantage d’énergie. Les batteries à oxyde de zinc‑manganèse peuvent fonctionner efficacement comme alternative aux batteries lithium‑ion et au plomb‑acid, notamment pour le stockage d’énergie à grande échelle afin de soutenir les réseaux électriques nationaux. 

Les professeurs de chimie de l’Université du Wisconsin‑Madison, Robert Hamers et Robert West, ont développé des solvants liquides à base d’organosilicium (OS) qui peuvent être conçus au niveau moléculaire pour les marchés industriels, militaires et grand public des batteries Li‑ion.

En expérimentant avec des gels, qui ne sont pas aussi combustibles que les liquides, des chercheurs de l’Université de Californie, Irvine, ont tenté de revêtir des nanofils d’or avec du dioxyde de manganèse puis de les recouvrir d’un gel électrolytique.

Alors que les nanofils sont généralement trop fragiles pour être utilisés dans les batteries, ces solutions sont devenues résilientes, et l’électrode résultante, ont découvert les chercheurs, a traversé 200 000 cycles sans perdre sa capacité à retenir une charge. Cela contraste avec 6 000 cycles dans une batterie conventionnelle.

La batterie String Cell™ contenait une collection de petites cellules indépendantes auto‑organisées. Chaque cellule string était constituée d’un boîtier en plastique recouvert d’un matériau conducteur qui permettait de former rapidement et facilement un contact avec d’autres. Une unité de traitement interne contrôlait les connexions dans la cellule électrochimique.

Pour faciliter la charge rapide d’un VE, les petites billes contenues dans la batterie étaient aspirées et remplacées par des cellules rechargées à la station-service. À la station, les cellules pouvaient être rechargées pendant les heures creuses.

Avec toutes ces solutions à notre disposition, plusieurs percées dans les batteries nous attendent dans le futur.