Énergie
Nouvelle stratégie d’interface améliore le flux d’ions dans les batteries à état solide
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Les batteries lithium-ion sont devenues la norme mondiale. Aujourd’hui, c’est le type de batterie le plus populaire et le plus utilisé, avec une taille de marché estimée à environ $65 milliards en 2023.
Mais, bien sûr, elles ne sont pas sans inconvénients, notamment la sensibilité à la température, les problèmes de sécurité et la durée de vie limitée.
Pour rendre les batteries Li‑ion plus sûres et plus puissantes, les électrolytes liquides sont remplacés par des électrolytes solides afin de créer des batteries à état solide, dont le marché est prévu de croître à un TCAC de 41,6 % entre 2024 et 2032.
Un virage vers les batteries à état solide (SSB)
Dans une batterie, l’électrolyte est le matériau qui permet aux ions de se déplacer à travers l’appareil pour générer de l’énergie.
Ainsi, une batterie dotée d’un électrolyte solide est une batterie à état solide, qui offre une densité d’énergie plus élevée, une charge plus rapide, une résilience thermique, une durée de vie plus longue et une sécurité accrue.
Malgré leurs promesses, les SSB rencontrent également plusieurs défis, notamment une fabrication complexe et des problèmes de sécurité potentiels liés à la formation de dendrites. De plus, elles peuvent subir un délaminage interfacial, limitant leurs performances et leur durée de vie. Ensemble, ces limitations freinent l’adoption généralisée des SSB.
Pour surmonter ces défis, des chercheurs et des entreprises du monde entier travaillent activement à faire progresser la technologie.
Par exemple, Samsung SDI ciblant une densité énergétique de 900 Wh/L grâce à son électrolyte solide propriétaire et à ses technologies sans anode, soit 40 % de plus que ses batteries actuelles.
Les géants chinois CATL et BYD font également d’importants progrès dans la technologie SSB, le premier travaillant sur une « batterie à état condensé » hybride et le second recherchant des électrolytes solides à base d’oxyde et de sulfure, tous deux visant une densité énergétique de 500 Wh/kg.
Dans l’UE, Volkswagen s’est associé à QuantumScape (QS ). Son unité de batteries, PowerCo, a également obtenu un accord de licence pour produire en masse des cellules à état solide avec une capacité initiale de 40 GWh par an, 30 % d’autonomie supplémentaire et une charge ultra‑rapide.
Nissan prévoit de commencer la production en masse de ses premières cellules à état solide avant la fin de la décennie, tandis que LG vise 2030 pour la commercialisation. Solid Power (SLDP ), quant à elle, s’est associée à Ford (F ), BMW et SK Innovation pour accélérer la commercialisation de la technologie de batterie tout solide, en se concentrant sur les électrolytes solides à base de sulfure pour les véhicules électriques.
Plus tôt ce mois-ci, le groupe automobile multinational allemand Mercedes‑Benz Group AG (anciennement Daimler) a dévoilé la première voiture alimentée par une SSB à lithium‑métal sur la route. Le prototype SSB a été intégré dans une EQS à la fin de l’année dernière.
La SSB dans un véhicule basé sur l’EQS peut augmenter l’autonomie de conduite de 25 %, a indiqué la société.
Ainsi, bien que le processus soit en cours, la commercialisation des SSB reste à plusieurs années. En attendant, une équipe de chercheurs de l’Université du Texas à Dallas a découvert un moyen d’améliorer les performances des batteries à état solide.
Améliorer la conductivité ionique dans les SSB
Publié dans ACS Energy Letters, la dernière étude détaille la découverte d’une conductivité ionique améliorée1 lors du mélange d’un électrolyte solide avec un autre solide.
Cette conductivité ionique accrue est causée par la formation d’une couche de charge d’espace à l’interface, offrant une nouvelle stratégie pour développer des conducteurs ioniques rapides pour les SSB. La « couche de charge d’espace », résultant du mélange de petites particules entre deux électrolytes solides, est une accumulation de charge électrique à l’interface entre les deux matériaux.
Ce qui se passe, c’est que lorsque les matériaux d’électrolyte solide, qui sont séparés, entrent en contact physique, une couche se forme à leur frontière. À la frontière, des particules chargées s’accumulent en raison des différences de potentiel chimique de chaque matériau.
La couche aide ensuite à créer des voies qui facilitent le déplacement de ces particules ou ions chargés à travers l’interface. Selon le co‑auteur correspondant de l’étude, le Dr Laisuo Su, professeur assistant en science et génie des matériaux à l’École d’ingénierie et d’informatique Erik Jonsson :
« Imaginez mélanger deux ingrédients dans une recette et obtenir de façon inattendue un résultat meilleur que chaque ingrédient séparément. »
Il a ajouté :
« Cet effet a renforcé le déplacement des ions au-delà de ce que chaque matériau pouvait atteindre seul, » a-t-il ajouté.
Les recherches du Dr Su se concentrent sur le développement de matériaux révolutionnaires pour les dispositifs d’énergie renouvelable dans le domaine des batteries rechargeables. En plus d’un intérêt particulier pour les électrolytes, solides et liquides, ainsi que l’interface électrolyte‑électrode où se déroulent les réactions cruciales, il travaille à la création d’outils avancés pour surveiller les réactions chimiques et électrochimiques se produisant dans les équipements d’énergie renouvelable.
« Cette découverte suggère une nouvelle façon de concevoir de meilleurs électrolytes solides en choisissant soigneusement des matériaux qui interagissent de manière à améliorer le déplacement ionique, ce qui pourrait conduire à des batteries à état solide aux performances supérieures. »
– Dr. Su
Dans le cadre de l’initiative Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS) de l’UTD, qui a reçu un financement de 30 millions de dollars du Département de la Défense lors de son lancement en 2023, le projet vise à développer et commercialiser de nouvelles technologies de batteries et de procédés de fabrication, à améliorer la disponibilité nationale des matières premières critiques et à former des travailleurs hautement qualifiés pour l’industrie.
Selon le co‑auteur correspondant de l’étude, le Dr Kyeongjae Cho, qui est également professeur de science et génie des matériaux et directeur de BEACONS :
« La technologie des batteries à état solide fait partie de nos recherches sur les chimies de batteries de prochaine génération au centre BEACONS, et elle devrait permettre des systèmes de batteries avancés pour améliorer les performances des drones à des fins de défense. »
Les batteries lithium‑ion actuellement utilisées dans les produits de consommation comprennent principalement des électrolytes liquides, qui sont inflammables et présentent donc des problèmes de sécurité.
Alors que les batteries Li‑ion conventionnelles atteignent leur limite théorique de capacité énergétique, les SSB, selon Su, promettent de générer et stocker plus du double de l’énergie des batteries à électrolytes liquides. Et comme elles ne sont pas inflammables, elles sont également plus sûres.
Faire traverser les ions à travers des matériaux solides, cependant, est difficile, ce qui crée des défis dans le développement des batteries à état solide.
Ainsi, les chercheurs ont étudié les performances de deux composés prometteurs d’électrolyte solide (SSE). Il s’agit du chlorure de lithium zirconium (Li2ZrCl6) et du chlorure de lithium yttrium (Li3YCl6).
Les chercheurs ont ensuite proposé une théorie expliquant pourquoi ce mélange augmente les activités ioniques. « L’interface a formé des canaux uniques pour le transport des ions », a déclaré Su.
À l’avenir, les chercheurs continueront d’étudier comment la composition ainsi que la structure de l’interface entraînent une conductivité ionique supérieure.
S’attaquer au problème des dendrites dans les SSB
Le besoin de batteries à densité énergétique plus élevée a conduit une autre équipe de chercheurs à travailler sur le problème critique des dendrites. Au départ, on pensait que les dendrites ne pouvaient pas pénétrer l’électrolyte solide. Mais, comme pour d’autres architectures de batteries, elles posent également problème pour les batteries tout solide.
Une équipe d’ingénieurs et de scientifiques des matériaux de plusieurs institutions en Chine a découvert2 que la fatigue métallique à l’anode est l’une des principales raisons pour lesquelles les SSB échouent avec le temps. Elle contribue également à la dégradation de l’interface et à la croissance des dendrites.
Le groupe a utilisé la microscopie électronique à balayage et des simulations de champ de phase pour étudier la croissance des dendrites dans les SSB au lithium.
Ce qu’ils ont constaté, c’est que pendant la charge et la recharge, le gonflement et la contraction constants du lithium provoquaient une fatigue métallique à l’anode, favorisant la croissance des dendrites. Plus précisément, l’expansion et la contraction continues entraînaient le développement de micro‑vides et de fissures à l’anode, ce qui conduisait à la croissance des dendrites et à la dégradation, même à faible densité.
Quant à ce qu’est une dendrite, il s’agit d’une structure en forme d’arbre qui se forme à cause de réactions chimiques à la surface de l’anode.
Les anodes d’une batterie subissent des processus de placage et de dépouillement du lithium pendant les cycles de charge et de décharge. Dans ce processus réversible, les ions lithium sont déposés sur la surface de l’anode (placage) et retirés (dépouillement) lors du fonctionnement normal (charge et décharge) de la batterie.
Un dépôt non uniforme d’ions Li sur la surface de l’anode tend toutefois à créer des sites qui attirent davantage d’ions Li, ce qui conduit à une chaîne d’ions lithium s’allongeant. La structure en forme d’arbre pénètre alors la batterie, en dégradant sa structure et en provoquant un court‑circuit.
Dans les SSB, il existe une grande zone de contact entre le lithium métallique et l’électrolyte solide. Et si des vides apparaissent dans l’électrolyte solide, le lithium métallique les comble rapidement, entraînant une formation sérieuse de dendrites et une propagation profonde de fissures à travers l’électrolyte.
Ainsi, Haegyeom Kim, scientifique du personnel en matériaux au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, a publié3 une solution à ce problème.
Leur étude détaille l’utilisation d’une double couche tampon d’étain‑carbone sur le collecteur de courant pour empêcher la formation de dendrites dans les batteries lithium, sans anode, tout solide (ASSB). Dans cette architecture SSB, une anode n’est pas construite à l’avance, mais se forme pendant le premier cycle de charge sur le collecteur de courant grâce aux ions Li provenant de la cathode, afin de réduire la complexité, le poids et le coût.
Un article précédent de chercheurs de Samsung a montré la possibilité d’utiliser des couches d’argent et de carbone comme couche tampon dans les batteries au lithium, offrant un cycle de placage et de dépouillement du lithium très stable et uniforme.
En étudiant pourquoi cela était efficace, l’équipe de Kim a découvert que l’argent est très lithophile, et les ions Li s’alignent uniformément sur sa couche, même en présence de fortes concentrations de lithium, rendant le placage du lithium très homogène tant que le dépôt d’argent était uniforme.
Comprendre le rôle du carbone ici, cependant, a constitué la base du nouveau travail, où l’équipe a choisi l’étain, qui fonctionne mieux que l’argent coûteux.
Pour déterminer le rôle du carbone, l’équipe a conçu plusieurs tests et utilisé quatre demi‑cellules de batterie différentes : une avec une couche tampon d’étain, une sans couche tampon, une avec de l’étain au-dessus de la couche tampon de carbone, et une avec du carbone au-dessus de la couche tampon d’étain.
Les couches ont été déposées sur un collecteur de courant en acier inoxydable, et la couche tampon avec le carbone au-dessus de l’étain a montré les meilleures performances.
« Nous avons réalisé que l’étain agit comme une couche lithophile similaire à l’argent, donc le positionnement de l’étain est important, car c’est là que le placage se produit. »
– Kim
Il a été constaté que la couche de carbone était lithophobe, ce qui signifie que les ions Li peinent à traverser cette couche, préférant aller dans la direction opposée. La placer sur l’étain a empêché la migration du lithium depuis la nouvelle couche de placage sur l’étain et a arrêté la pénétration des dendrites dans l’électrolyte.
« Il ne s’agit pas seulement des propriétés intrinsèques d’un seul matériau. La façon dont nous les combinons est très importante, car cela peut modifier de façon significative les propriétés de la couche de barrière. »
L’équipe travaille maintenant sur de nouvelles couches tampons avec de meilleures performances, testant sur des cycles plus longs, et passant à des systèmes plus pratiques.
Éliminer les vides pour augmenter la longévité
Une autre percée qui rapproche les SSB des applications réelles a été réalisée en comprenant pourquoi l’ajout de petites quantités de métaux comme le magnésium à l’anode améliore les performances de la batterie.
Bien que cela soit souvent fait, on ne savait pas pourquoi jusqu’à présent.
Pour cela, des chercheurs de l’Université de Houston ont examiné tout ce qui se passe dans les SSB à l’aide de la microscopie électronique à balayage opérando afin de comprendre pourquoi elles se dégradent et ce qui pourrait être fait pour ralentir ce processus.
« Cette recherche résout un mystère de longue date sur la raison pour laquelle les batteries à état solide échouent parfois », a déclaré l’auteur correspondant Yan Yao, professeur distingué Hugh Roy et Lillie Cranz Cullen d’ingénierie électrique et informatique et chercheur principal au Texas Center for Superconductivity.
Leur découverte, selon Yao, permet aux SSB de fonctionner sous une pression plus basse. Cela peut potentiellement réduire le besoin d’un boîtier externe volumineux et améliorer la sécurité globale.
Ce qui a été appris, c’est qu’avec le temps, de minuscules vides se forment à l’intérieur de la batterie, créant un large écart qui provoque la défaillance de la batterie. Plusieurs essais ont révélé qu’ajouter simplement une petite quantité d’éléments comme le magnésium (Mg) peut combler ces espaces et aider la batterie à continuer de fonctionner.
« Avec une petite modification de la chimie de la batterie, nous pouvons améliorer considérablement ses performances, surtout dans des conditions pratiques comme une basse pression. »
– Premier auteur Lihong Zhao, professeur assistant en génie électrique et informatique à l’UH
Les SSB nécessitent une haute pression de pile externe pour rester intactes pendant le fonctionnement, mais comme l’a noté Zhao, « en ajustant soigneusement la chimie de la batterie, nous pouvons réduire considérablement la pression nécessaire pour la maintenir stable ».
Parallèlement, des chercheurs de l’Université du Missouri ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage en quatre dimensions (4D STEM) pour évaluer la structure atomique de la batterie.
Ce qu’ils ont découvert, c’est que lorsque l’électrolyte solide touche la cathode, il réagit et forme une couche d’interphase d’une épaisseur de 100 nm, qui bloque les ions Li et les électrons, limitant ainsi les performances de la batterie.
L’équipe de recherche prévoit maintenant de tester si des matériaux en film mince formés par un processus de dépôt en phase vapeur (oMLD) peuvent fournir un revêtement protecteur « assez fin pour empêcher les réactions » entre l’électrolyte solide et les matériaux de la cathode, « mais pas trop épais pour bloquer le flux d’ions lithium ».
Utiliser l’IA pour aider la recherche et le développement des SSB
Avec l’intelligence artificielle qui transforme les industries, il est logique que les chercheurs utilisent également son aide pour résoudre les problèmes de recherche et de développement des SSB, qui sont gourmands en ressources et chronophages.
L’environnement chimique complexe des SSB rend en réalité la prédiction des performances difficile et retarde l’industrialisation à grande échelle.
Dans une étude5 de la semaine dernière, des ingénieurs de l’Université Soochow et de l’Université de Nankin, Chine, ont souligné le potentiel de l’IA pour permettre un dépistage efficace des matériaux et la prédiction des performances. Les dernières avancées dans l’utilisation d’algorithmes d’apprentissage automatique (ML), ont noté, peuvent être utilisées pour exploiter d’importantes bases de données de matériaux et accélérer la découverte de matériaux haute performance adaptés aux SSB.
Le développement rapide de la technologie IA, selon l’étude, offre de nouvelles idées pour relever les principaux défis des SSB, à savoir l’interface de l’anode, l’interface de la cathode, la synthèse et la découverte des électrolytes, ainsi que la fabrication des batteries.
Des chercheurs de Skoltech et de l’Institut AIRI ont également exploité les réseaux neuronaux et les ont trouvés capables d’identifier des matériaux prometteurs pour l’électrolyte solide ainsi que ses revêtements protecteurs.
« Nous avons démontré que les réseaux de neurones graphiques peuvent identifier de nouveaux matériaux de batteries à état solide avec une mobilité ionique élevée et le faire des ordres de grandeur plus rapidement que les méthodes traditionnelles de chimie quantique », ce qui pourrait accélérer le développement de nouveaux matériaux de batterie, a déclaré l’auteur principal, Artem Dembitskiy.
En utilisant l’approche accélérée par apprentissage automatique, les chercheurs ont identifié les composés Li3AlF6 et Li2ZnCl4 comme matériaux de revêtement prometteurs pour le conducteur lithium superionique Li10GeP2S12.
Investir dans la technologie SSB
Lorsqu’il s’agit d’investir dans une entreprise qui fait progresser activement la technologie des batteries à état solide, Toyota offre un potentiel solide.
Le constructeur automobile japonais s’est associé à Panasonic pour créer une coentreprise appelée Prime Planet Energy & Solutions, axée sur les électrolytes solides à base de sulfure. L’entreprise prévoit de commencer la production l’année prochaine, la production de masse n’étant pas attendue avant 2030, visant une autonomie de 1 000 km, une charge rapide de 10 minutes et un objectif de capacité annuelle de 9 GWh.
Il s’est également associé à Idemitsu Kosan pour produire en masse des électrolytes à base de sulfure d’ici 2027–2028.
Toyota Motor Corp (TM )
L’aventure de Toyota avec les batteries à état solide a commencé il y a près de deux décennies avec la création d’une division de recherche sur les batteries, dont le but est de développer les batteries de prochaine génération pour les véhicules hybrides et électriques.
En ce qui concerne la performance du marché de Toyota Motors, elle a été assez solide, ses actions se négociant actuellement à 183,60 $. Bien qu’en baisse de 4,87 % depuis le début de l’année, elles ont augmenté de plus de 17 % depuis leur plus bas d’avril. L’année dernière, en mars, le cours de l’action de l’entreprise avait dépassé 255 $ pour atteindre un nouveau sommet.
TM Graphique du prix
Avec cela, la capitalisation boursière de 292,4 milliards de dollars, le BPA (TTM) de Toyota est de 24,01, et le ratio P/E (TTM) est de 7,71. Elle offre même un rendement de dividende attrayant de 3,27 %.
Les résultats financiers de l’entreprise pour le premier trimestre 2025 ont montré que son chiffre d’affaires net a augmenté de 6,5 % pour atteindre 314 milliards de dollars, tandis que le résultat d’exploitation a diminué de plus de 15 % pour atteindre 31,3 milliards de dollars. Au cours de cette période, l’entreprise a vendu un total d’environ 9 362 000 unités. Malgré une baisse des ventes de 81 000 unités au cours du trimestre, Toyota restait la marque la plus vendue.
Cela fait suite à la vente de 10,8 millions de véhicules par Toyota en 2024, ce qui en a fait le constructeur automobile le plus vendu au monde pour la cinquième année consécutive.
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Conclusion : L’avenir des batteries à état solide
Les batteries à état solide promettent de nombreux avantages par rapport aux batteries lithium largement utilisées. Bien qu’elles offrent une meilleure sécurité, une densité énergétique supérieure et une plus grande longévité, des défis tels que le délaminage interfacial et la formation de dendrites freinent encore leur adoption massive.
Ici, la dernière découverte selon laquelle le mélange de certains électrolytes solides crée une « couche de charge d’espace », améliorant la mobilité ionique, représente une nouvelle direction prometteuse. Grâce à de telles percées, ainsi qu’à l’expérimentation constante des entreprises, les SSB pourront enfin devenir viables pour une utilisation réelle dans les appareils mobiles et les véhicules électriques.
Études référencées :
1. Wang, B., Limon, M. S. R., Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). Effet 1 + 1 > 2 induit par la charge d’espace dans les électrolytes solides. ACS Energy Letters, 10(3), 1255–1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., & Huang, Y. (2025). Fatigue de l’anode en lithium métal dans les batteries à état solide. Science, 388(6744), 311–316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, V. S., Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, M. S., Watt, J., Scott, M. C., & Kim, H. (2025). Couche tampon double étain–carbone pour supprimer la croissance des dendrites de lithium dans les batteries tout solide. ACS Nano, 19(18), 17347–17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C. et al. Imagerie de l’évolution de l’interface lithium‑électrolyte solide à l’aide de la microscopie électronique à balayage opérando. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X. et al. L’intelligence artificielle renforce les batteries à état solide pour le dépistage des matériaux et l’évaluation des performances. Nano‑Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y
