Énergie
Les batteries à état solide au sodium et à l’hydrogène défient le lithium
Aller au-delà du lithium-ion
Avec l’électrification de toutes les formes de transport, d’abord les voitures, puis bientôt les camions, les navires et éventuellement les avions, le stockage par batterie est devenu la clé technologie de la décennie.
Il était initialement dominé par la technologie lithium-ion, grâce à l’expérience acquise dans la fabrication pour les petits appareils électroniques et aux propriétés électriques inhérentes du lithium.
Cependant, la technologie lithium-ion présente quelques problèmes majeurs qui pourraient limiter son adoption:
- Elle est plus chère et plus rare que d’autres métaux, ce qui pourrait restreindre son utilisation aux batteries ultra‑haute densité ou aux produits haut de gamme.
- Elle a tendance à former des dendrites métalliques pouvant provoquer des défaillances catastrophiques et des incendies de batterie.
- Elle fonctionne mal à des températures de congélation, la rendant inadaptée aux climats froids et au stockage fixe dans les régions froides.
Pour toutes ces raisons, les scientifiques et les fabricants de batteries explorent des chimies alternatives. L’une d’elles consiste à utiliser le sodium, l’un des composants du sel de mer ultra‑abondant et bon marché.
Les batteries sodium‑ion approchent bientôt la phase de production de masse, la société CATL (300750.SZ) menant la charge dans ce domaine.
« Ce n’est pas une question de sodium contre lithium. Nous avons besoin des deux. Quand nous pensons aux solutions de stockage d’énergie de demain, nous devrions imaginer que la même giga‑usine peut produire des produits basés à la fois sur les chimies lithium et sodium »,
Shirley Meng– Professeure en ingénierie moléculaire à l’UChicago PME.
Néanmoins, les batteries lithium‑ion et sodium‑ion sont toutes deux considérées comme des étapes intermédiaires vers une forme supérieure de technologie de batterie: batteries à état solide.
Initialement centrée sur le lithium, la technologie à état solide s’étend maintenant vers de nouvelles directions. Par exemple, nous avons précédemment évoqué la possibilité d’une batterie à état solide sans anode basée sur le sodium.
Une nouvelle étude a révélé qu’une forme métastable d’électrolyte solide au sodium pourrait être utilisée pour créer des batteries à état solide au sodium qui sont non seulement plus denses en énergie mais qui conservent leurs performances même à des températures sous zéro.
Ce travail a été réalisé par des scientifiques de l’Université de Californie, de l’Université de Chicago et de l’Université nationale de science et technologie de Taïwan, et publié dans la revue Joule1 sous le titre « Closo‑hydridoborates de sodium métastables pour les batteries tout‑solide avec cathodes épaisses ».
Défis des électrolytes à état solide
Dans une batterie « normale », la cathode et l’anode sont séparées par un électrolyte liquide. Cet électrolyte est très utile, mais aussi très lourd, et constitue la principale cause d’incendie dans les batteries défectueuses.
C’est pourquoi le remplacer par une couche de matériau solide rend la batterie non seulement beaucoup plus dense, mais aussi plus sûre. Cependant, maintenir cet électrolyte solide stable et éviter qu’il ne gonfle lors de la charge ou de la décharge (ce qui provoque des fissures) a été un problème.
Les électrolytes solides au sodium ont un problème supplémentaire, car ils montrent une conductivité ionique limitée à température ambiante.
Une alternative pourrait être d’utiliser un matériau comme le hydridoborate de sodium, connu pour posséder une conductivité ionique très élevée. Mais pour cela, sa forme métastable doit être maintenue dans une batterie à grande échelle.
« Cette structure métastable du hydridoborate de sodium possède une conductivité ionique très élevée, au moins un ordre de grandeur supérieur à celui rapporté dans la littérature, et trois à quatre ordres de grandeur supérieurs au précurseur lui‑même. »
Shirley Meng– Professeure en ingénierie moléculaire à l’UChicago PME.
Stabilisation des électrolytes solides au sodium
Lors de la production d’une batterie avec du hydridoborate de sodium, le matériau a tendance à évoluer vers une structure stable lors du refroidissement, séparant les molécules NaBH4 des molécules Na2B12H12.
Une forme métastable existe à haute température, mélangeant les deux cristaux, ce qui permet un déplacement beaucoup plus rapide du sodium dans la batterie, conduisant à une capacité électrique plus forte.
Source: Joule
Lors d’un refroidissement rapide, le matériau reste dans une forme métastable, le cristal conserve sa structure au lieu de retomber dans une forme stable. Ce type de refroidissement rapide, appelé trempe, est une méthode clé utilisée dans la fabrication, notamment en métallurgie pour l’acier et d’autres métaux.
Source: Joule
Technique connue pour l’évolutivité
Il était déjà connu que, pour stabiliser une structure chimique, la trempe (refroidissement rapide) est souvent une méthode utile. Cependant, cela n’avait jamais été démontré dans un électrolyte à état solide jusqu’à présent.
Le fait que cette pratique soit couramment acceptée pourrait grandement aider à rendre cette technique évolutive et adoptée par les fabricants de batteries.
« Puisque cette technique est établie, nous serons mieux capables d’augmenter l’échelle à l’avenir.
Si vous proposez quelque chose de nouveau ou s’il faut modifier ou établir des processus, l’industrie sera plus réticente à l’accepter.
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Cathode épaisse & températures froides
La plupart des conceptions à état solide tentent de concevoir une cathode ultra‑fine afin de maximiser la surface de contact et de limiter la quantité de « matière morte » qui ne stocke pas d’énergie.
La trempe résout ce problème en créant des pores permanents où l’ion sodium peut circuler.
« Associer cette phase métastable à une cathode de type O3 revêtue d’un électrolyte solide à base de chlorure peut créer des cathodes épaisses à haute charge surfacique, plaçant ce nouveau design au‑delà des batteries sodium précédentes. »
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Cela crée un potentiel de conception intéressant, car rendre l’électrode plus épaisse devrait, dans ce cas précis, améliorer la batterie plutôt que de la détériorer.
« Plus la cathode est épaisse, plus la densité énergétique théorique de la batterie – la quantité d’énergie contenue dans une surface donnée – s’améliore, »
Sam Oh – A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore.
Lors des tests de la cathode, les chercheurs ont constaté que les performances se maintenaient à température ambiante et même en dessous de zéro – un avantage notable pour les opérations en climat froid comparé aux batteries Li‑ion à électrolyte liquide conventionnel – bien que la supériorité globale au niveau du système par rapport aux Li‑ion commerciaux n’ait pas encore été démontrée.
Hydrogène comme porteur de charge
Lorsque l’on discute de l’hydrogène dans le contexte du transport et de l’énergie verte, on fait généralement référence au dihydrogène (H₂) et à sa combustion ou oxydation dans des moteurs dédiés ou des piles à combustible.
Cependant, l’hydrogène pourrait également devenir un composant clé des batteries du futur, remplaçant le lithium ou le sodium. Dans ce cas, on utilise l’hydrure (H‑) à la place.
Étant l’élément le plus abondant de l’Univers, cela pourrait le rendre particulièrement utile pour un monde visant une électrification totale fonctionnant sur de l’énergie verte et des batteries.
Des chercheurs chinois de l’Université de l’Académie chinoise des sciences, de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC), de l’Université du Jilin et du Laboratoire d’État clé de catalyse de la République populaire de Chine ont révélé, dans la revue prestigieuse Nature2, le concept d’une batterie à hydride ion à état solide, sous le titre « Une batterie rechargeable à hydride ion tout‑solide à température ambiante ».
Ions hydrure
Les batteries utilisent un porteur de charge négatif pour transporter les électrons entre l’anode et la cathode. En théorie, les ions hydrure (H‑) sont plus énergétiques, plus polarisables et plus réactifs que les cations comme le lithium ou le sodium.
L’hydrogène est également l’atome le plus petit, le rendant particulièrement léger, un point clé pour les batteries utilisées dans le transport.
Cependant, malgré ces avantages bien connus, les ions hydrure n’ont pas encore été employés dans les batteries, car aucun électrolyte n’a pu offrir la combinaison de mobilité ionique rapide, de stabilité thermique et de compatibilité électrode que ces systèmes exigent.
Allier conductivité et stabilité
Les chercheurs ont synthétisé un nouveau composite cœur‑coquille d’hydrure, 3CeH3@BaH2, où une fine coque de BaH2 encapsule le CeH3. Cette structure exploite la haute conductivité ionique de l’hydrure de CeH3 et la stabilité du BaH2.
En utilisant ce composite coquille comme bloc de construction, les chercheurs ont créé un prototype tout‑solide CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4 d’ion hydrure. NaAlH4, matériau classique de stockage d’hydrogène, a été utilisé comme composant actif de la cathode.
Éliminer les dendrites à jamais ?
Outre leur haute capacité énergétique, les ions hydrure offrent un autre avantage majeur: contrairement aux cations métalliques, ils ne peuvent pas s’assembler entre eux pour former des dendrites, cause première de la plupart des pannes de batterie après de nombreux cycles charge‑décharge, entraînant des courts‑circuits et des incendies.
Ils pourraient donc représenter la voie vers un stockage d’énergie sûr, efficace et durable.
Cependant, cette technologie est beaucoup moins mature que les batteries lithium ou même sodium, et des progrès sont nécessaires concernant la durabilité de ce design.
Pour l’instant, les chercheurs ont réussi à obtenir une densité énergétique de 984 mAh/g à température ambiante. Mais la capacité de la batterie a chuté à 402 mAh/g après seulement 20 cycles.
L’avenir des batteries à état solide
À court terme, les batteries utilisant la technologie lithium‑ion resteront probablement la base de l’énergie verte et des véhicules électriques.
Cependant, à moyen terme, les batteries à état solide ou le sodium (et le sodium à état solide) pourraient supplanter la domination du lithium‑ion, surtout si elles parviennent à offrir une densité énergétique suffisante à un prix inférieur.
La charge rapide des batteries à état solide pourrait également constituer un argument pour les conducteurs réticents à passer aux VE ou aux applications commerciales.
La durabilité et la tolérance aux températures froides seront également des facteurs décisifs, avec potentiellement un large éventail de chimies de batteries parallèles coexistant tout au long des années 2030, certaines spécialisées pour les VE en climats froids.
Vous pouvez lire davantage sur ces sujets dans nos articles suivants:
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| Type de batterie | Densité énergétique | Durée de cycle | Coût | Maturité |
|---|---|---|---|---|
| Lithium‑ion | 250–300 Wh/kg | 1 000+ cycles | Élevé | Commercial |
| Sodium‑ion | 160–200 Wh/kg | 1 000+ cycles | Moindre | Mise à l’échelle (CATL) |
| À état solide (Lithium) | 350–500 Wh/kg | >2 000 cycles (cible) | Élevé (R&D) | Pilote (2026–27) |
| Ion hydrure | 984 mAh/g (prototype) | 20 cycles (actuel) | Inconnu | Recherche précoce |
Entreprise de Batteries à État Solide
QuantumScape
(QS )
Depuis sa création en 2010, la société californienne QuantumScape 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
Une caractéristique unique des batteries QuantumScape, considérée à l’époque de leur révélation comme révolutionnaire, est qu’elles utilisent une conception sans anode.
Elle permet une charge ultra‑rapide d’environ 15 minutes (10‑80 % à 45 ºC) et le séparateur est non inflammable et non combustible.
Source: QuantumScape
Cela place également les batteries QuantumScape dans une catégorie à part lorsqu’il s’agit de densité énergétique et de vitesse de charge, surpassant largement des leaders comme Tesla (tant ses propres conceptions que celles fabriquées 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.
Cette situation semble évoluer depuis l’accord de 2024 avec PowerCo, la division batterie 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 ce contrat de licence non exclusif, PowerCo pourra fabriquer jusqu’à 40 GWh 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 est liée à Cobra, le nouvel équipement de séparateur de batterie à état solide de la société, 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 constituer un tournant pour l’entreprise, passant, seize ans après sa création, d’une startup prometteuse avec une propriété intellectuelle intéressante à la génération de revenus croissants grâce à un partenariat avec l’un des plus grands constructeurs automobiles du monde.
La relation avec PowerCo se renforce en 2025, avec des batteries à état solide utilisées dans une moto Ducati, et PowerCo fournira jusqu’à 131 millions de dollars de nouveaux paiements sur les deux prochaines années dès que l’équipe de mise à l’échelle conjointe atteindra certains jalons.
“Cet accord élargi est un signal clair de l’alignement stratégique, technique et financier croissant entre les deux sociétés.
Il reflète notre confiance partagée dans QSE‑5 comme plateforme révolutionnaire pour l’industrie des batteries.
En attendant, les investisseurs doivent encore s’attendre à une certaine volatilité du cours de l’action, mais avec une lueur au bout du tunnel de développement produit.
(Vous pouvez également consulter d’autres entreprises de batteries aux États‑Unis et à l’étranger dans notre article
« Top 10 des actions de batteries à investir »).
Étude Référencée
1. Jin An Sam Oh, et al. Closo‑hydridoborates de sodium métastables pour les batteries tout‑solide avec cathodes épaisses. Joule. 102130. 16 septembre 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui, et al. Une batterie rechargeable à hydride ion tout‑solide à température ambiante. Nature. 17 septembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
