Énergie
Anodes en Carbone Dur à Base d’Étain Préparent le Terrain pour les Batteries de Nouvelle Génération
Alors que le monde se dirige vers l’électrification afin d’augmenter l’efficacité énergétique et de réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES), la demande de batteries augmente de façon significative.
Notamment, il existe une demande de batteries capables de se charger ultra-rapidement et d’avoir une haute densité énergétique dans divers secteurs, y compris les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle (ESS), ce qui stimule une recherche approfondie sur les technologies de batteries avancées.
Cela nécessite des matériaux d’anode avancés avec des performances améliorées, ce que la nouvelle étude a exactement réalisé grâce à sa percée.
Une équipe de recherche conjointe, soutenue par le Ministère du Commerce, de l’Industrie et de l’Énergie ainsi que le Ministère de la Science et des TIC de Corée, a développé un matériau d’anode futuriste prometteur1 qui présente des capacités pour répondre aux besoins cruciaux des batteries.
Une équipe de chercheurs de l’Université des Sciences et Technologies de Pohang (POSTECH) et de l’Institut Coréen de Recherche sur l’Énergie (KIER) a collaboré pour développer une anode à haute densité énergétique utilisant du carbone dur et des nanoparticules d’étain.
Ils ont introduit des nanodots d’étain (Sn) encapsulés dans du carbone dur (HCSN) comme anode composite polyvalente pour les batteries lithium-ion (LIB) et sodium-ion (SIB) afin de relever les défis actuels des batteries conventionnelles.
Innovations d’Anodes à Base de Carbone dans les LIB et SIB
Les matériaux à base de carbone sont largement utilisés et reconnus comme des solutions prometteuses pour les anodes dans les LIB afin d’améliorer leurs performances électrochimiques, c’est‑à‑dire la capacité de la batterie à stocker et libérer de l’énergie de manière efficace et sûre.
Du carbone souple, du carbone dur et du graphite aux diverses nanostructures de carbone, les chercheurs ont entrepris des innovations sur différents types de matériaux carbonés pour améliorer les batteries conventionnelles.
Actuellement, les batteries lithium-ion (LIB) sont la chimie de batterie la plus adoptée. Les LIB sont des batteries rechargeables qui stockent l’énergie en faisant circuler les ions lithium entre la cathode et l’anode lors de la charge et de la décharge et sont reconnues pour leur haute densité énergétique et leur longue durée de cycle. Ces batteries sont largement utilisées dans les appareils électroniques portables, les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie.
Cependant, les performances des LIB ont atteint leurs limites, contraintes par les électrodes d’anode. Sans oublier que l’élément solide le plus léger, le lithium (Li), est rare, voit ses coûts augmenter, et son extraction a un impact environnemental négatif.
Cela, combiné au besoin de solutions de stockage d’énergie neutres en carbone, a conduit à l’exploration de technologies complémentaires, aboutissant à l’émergence des batteries sodium-ion (SIB).
Le sodium (Na) est un métal très doux, argenté et blanc, qui est le sixième élément le plus abondant sur Terre. Ce métal alcalin le plus commun représente en réalité 2,8 % de la croûte terrestre. Cela se traduit par une rentabilité.
Pour faire progresser les technologies de batteries rechargeables, le développement de matériaux d’anode joue un rôle majeur. Pour concevoir des matériaux d’anode tant pour les batteries lithium-ion que sodium-ion, le carbone dur (HC) s’est imposé comme un candidat prometteur grâce à sa capacité à fonctionner dans des environnements extrêmes.
Le carbone dur est un matériau à faible densité qui ne peut pas être facilement converti en graphite, même à haute température. Il présente un coût faible, une grande abondance naturelle et de bonnes caractéristiques de performance.
De plus, le carbone dur est un matériau désordonné avec une microporosité extrêmement élevée et des voies de diffusion, facilitant la diffusion rapide des ions lithium et sodium. Cela lui confère une robustesse mécanique et une capacité de stockage d’énergie élevée, le rendant adapté aux applications à haut débit et à longue durée de vie.
Un autre matériau d’anode couramment utilisé est le graphite, une forme de carbone qui est souple, flexible, peu coûteuse et présente une bonne conductivité électrique. Bien qu’il offre une stabilité structurelle robuste, il possède une capacité théorique faible et des vitesses de charge et de décharge lentes.
Afin de surmonter ces limites, les chercheurs ont proposé une nouvelle conception d’électrode combinant le carbone dur (HC) avec de l’étain (Sn), détaillée dans la revue ACS Nano.
Une Anode pour Haute Puissance, Énergie et Stabilité
L’étain ou stannum est un élément chimique appartenant à la famille du carbone. Ce métal de couleur argentée est très doux et peut être plié ou découpé à la main avec peu d’effort. Il présente un fort potentiel comme matériau d’anode grâce à ses hautes capacités volumiques, son faible coût, sa grande sécurité et son impact environnemental minimal.
Cependant, l’incorporation d’étain a posé un défi. Pour améliorer la stabilité globale, nous avons besoin de particules d’étain très fines. Plus elles sont petites, plus la réduction de l’expansion volumétrique problématique pendant le cycle est efficace, ce qui augmente la stabilité.
Mais le problème réside dans le point de fusion bas de l’étain, environ 230 °C, ce qui rend difficile la synthèse de petites particules.
L’équipe a résolu ce problème particulier grâce au procédé sol‑gel, suivi d’une réduction thermique contrôlée. Cela a permis d’incorporer avec succès des nanoparticules d’étain de moins de 10 nm, réparties uniformément, dans la matrice de carbone dur.
La structure composite qui en résulte a démontré une synergie fonctionnelle au-delà du simple mélange physique.
Ici, les nanoparticules de Sn ont agi comme matériaux actifs et également comme catalyseurs pour la cristallisation du carbone dur environnant. La formation réversible de liaisons Sn‑O (étain‑oxygène) pendant le cycle électrochimique a, quant à elle, contribué à l’amélioration progressive de la capacité de la batterie via des réactions de conversion.
La nouvelle électrode développée, HCSN700, a montré d’excellentes performances dans des cellules lithium-ion. L’étude a noté qu’elle maintenait un fonctionnement stable pendant plus de 1 500 cycles sous des conditions de charge rapide de 20 minutes. L’électrode a également atteint une densité énergétique volumétrique 1,5 fois supérieure à celle des anodes en graphite traditionnelles.
Cela représente l’intégration réussie d’une haute puissance, d’une haute énergie et d’une longue durabilité dans une seule électrode.
« Cette recherche représente une nouvelle étape dans le développement de batteries haute performance de prochaine génération et offre des perspectives prometteuses pour les véhicules électriques, les systèmes hybrides et les ESS à l’échelle du réseau. »
– Professeur Soojin Park de POSTECH
De plus, l’électrode a démontré des performances exceptionnelles dans les batteries sodium-ion.
Habituellement, les ions sodium présentent une faible réactivité avec les matériaux d’anode conventionnels, tels que le graphite ou le silicium. Mais la structure nano‑composite étain‑carbone dur de cette étude a maintenu une excellente performance à long terme et une cinétique rapide même dans des environnements sodium, soulignant la polyvalence du HCSN700 sur plusieurs plateformes de batteries.
« La réalisation d’une anode combinant simultanément haute puissance, stabilité et densité énergétique, ainsi que sa compatibilité avec les systèmes sodium-ion, marque un tournant sur le marché des batteries rechargeables. »
– Dr. Gyujin Song de KIER
Dans l’ensemble, le travail souligne le potentiel du HCSN700 pour des applications à haute puissance et densité énergétique volumétrique dans les systèmes de stockage d’énergie de prochaine génération, selon l’étude.
Recherche de Batteries de Pointe Façonnant le Futur
Compte tenu du rôle que jouent les batteries dans le futur des véhicules électriques, du stockage d’énergie et de la tendance plus large à l’électrification, la concurrence et l’innovation stimulent la recherche de batteries aux performances améliorées et aux coûts réduits.
Les chercheurs et les entreprises explorent activement de nouvelles technologies d’anodes, de cathodes et d’électrolytes pour développer la prochaine génération de batteries. Voici donc quelques études supplémentaires intéressantes et passionnantes publiées cette année :
Une Batterie Fluide Qui Peut Prendre N’importe Quelle Forme
Comme nous l’avons récemment partagé, des chercheurs de l’Université de Linköping ont développé une batterie capable de prendre n’importe quelle forme en utilisant des électrodes sous forme fluide. Cela permet à la batterie souple et malléable d’être intégrée dans les technologies futures, telles que les appareils portables de prochaine génération, d’une manière totalement nouvelle.
Curieusement, une texture semblable à du dentifrice permet d’utiliser le matériau dans une imprimante 3D, offrant la possibilité de façonner la batterie selon les besoins. La nouvelle approche consiste à convertir les électrodes d’un état solide à un état liquide à l’aide de plastiques conducteurs et de lignine. En conséquence, la batterie peut être étirée jusqu’à doubler sa longueur tout en restant rechargeable et déchargeable plus de 500 fois, tout en conservant ses performances.
Utiliser le Maïs pour Améliorer les Performances des Batteries
Des chercheurs de l’Université d’État de Washington ont mis au point une méthode utilisant la protéine de maïs pour améliorer les performances des batteries lithium-soufre. Ces batteries sont plus légères pour la même quantité d’énergie que les LIB, mais rencontrent des obstacles technologiques qui réduisent leur durée de vie. Cela inclut la fuite de la partie soufre qui migre vers le côté lithium, provoquant l’arrêt de la batterie, et la formation de dendrites du côté lithium, entraînant un court-circuit électrique.
Ainsi, les chercheurs ont créé une barrière protectrice (séparateur) à base de protéine de maïs associée à du plastique couramment utilisé, ce qui a empêché les deux problèmes et permis à la batterie de conserver sa charge pendant plus de 500 cycles. De plus, la protéine de maïs est naturelle, abondante et durable.
Cependant, la protéine étant « une structure très compliquée », les chercheurs approfondissent encore le fonctionnement du processus et son optimisation.
Une Batterie Fonctionnant avec des Déchets Atomiques
Dans une étude intéressante réalisée plus tôt cette année, des chercheurs de l’Université d’État de l’Ohio ont développé une batterie capable de convertir l’énergie nucléaire en électricité via l’émission de lumière. Il s’agit d’une avancée importante car, bien que les centrales nucléaires ne produisent pas d’émissions de gaz à effet de serre (GES), elles génèrent des déchets radioactifs dont l’élimination peut être difficile.
Cependant, la dernière étude utilise une combinaison de cellules solaires et de cristaux scintillateurs, qui émettent de la lumière lorsqu’ils absorbent des radiations, pour démontrer que le rayonnement gamma ambiant peut être exploité afin de générer suffisamment d’électricité pour alimenter des microélectroniques.
La batterie a ensuite été testée avec du césium‑137, qui a produit seulement 288 nanowatts, et du cobalt‑60, qui a généré 1,5 microwatts de puissance.
« Nous récupérons quelque chose considéré comme un déchet et, par nature, nous essayons d’en faire un trésor », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Raymond Cao, professeur de génie mécanique et aérospatial à l’Ohio State et directeur du Laboratoire de Réacteurs Nucléaires de l’Ohio State.
Une Batterie Qui Doit Être Nourrie
Une étude des Laboratoires fédéraux suisses de science et technologie des matériaux (EMPA) a imprimé en 3D une batterie fongique biodégradable capable d’alimenter des capteurs utilisés dans la recherche environnementale dans des régions éloignées.
La pile à combustible microbienne utilise le métabolisme, dans lequel les micro-organismes transforment les nutriments en énergie, puis capturent une partie de cette énergie sous forme d’électricité. Habituellement, elles sont alimentées par des bactéries, mais cette étude a combiné deux types de champignons, pour la première fois, afin de créer une pile à combustible fonctionnelle.
Pour garantir que les micro-organismes puissent accéder facilement aux nutriments, des cellules fongiques ont été mélangées à l’encre d’impression 3D à base de cellulose, qui a ensuite été utilisée pour fabriquer les composants de la batterie. Les chercheurs travaillent maintenant à rendre leurs batteries plus puissantes et plus durables.
Mieux Comprendre pour Fabriquer de Meilleures Batteries
La quête de batteries plus puissantes a également conduit les chercheurs à étudier en détail différentes chimies et composants de batteries, afin de mieux les comprendre et d’apporter des informations précieuses aux chercheurs et aux entreprises pour les intégrer dans la conception et le développement de leurs batteries.
Par exemple, des ingénieurs de l’Université de Princeton ont étudié une batterie à l’état solide sans anode, ce qui rend la batterie encore plus compacte et abordable. Cependant, cette composition nécessite un bon contact entre l’électrolyte et le collecteur de courant, et des facteurs tels que la pression appliquée influencent ce contact. Selon l’étude, l’application d’un revêtement mince entre les deux peut aider à faciliter un meilleur transport ionique.
Une équipe de chercheurs de l’Institut d’Physique Chimique de Dalian de l’Académie chinoise des sciences et de l’Université maritime de Dalian, quant à elle, a proposé d’ajouter un médiateur redox et un nouveau sel d’iodure d’imidazole (1,3-diméthylimidazolium iodure, DMII) afin d’améliorer les performances et la durée de vie des batteries lithium‑air (Li‑O2).
Une autre orientation provient de Weiyu Li, professeur assistant de génie mécanique à l’Université du Wisconsin‑Madison, qui a utilisé un modèle computationnel pour comprendre ce qui cause la défaillance des batteries lithium‑ion : le dépôt de lithium. Le modèle offre un moyen d’étudier son apparition sur un éventail plus large de conditions, ce qui aide ensuite à déterminer la meilleure façon d’ajuster les densités de courant pendant la charge afin de l’éviter.
Entreprise Innovante
Microvast Holdings (MVST )
Microvast est une entreprise texane de technologie avancée de batteries qui conçoit et fabrique des composants et systèmes de batteries pour les véhicules commerciaux électriques, tels que les bus, les trains et les camions, ainsi que pour les systèmes de stockage d’énergie à l’échelle des services publics (ESS). Les technologies propriétaires de l’entreprise couvrent les anodes, cathodes, séparateurs et électrolytes ainsi que les systèmes de refroidissement et les contrôles logiciels.
Ses solutions de batteries lithium‑ion offrent des capacités de charge ultra‑rapide pouvant atteindre une recharge complète en 10 minutes, une durée de vie plus longue pour réduire le coût de possession et soutenir la durabilité, ainsi que des tests tiers pour garantir la qualité. De plus, elles utilisent des composants de batterie supérieurs, une gestion avancée des batteries et des systèmes de gestion thermique pour la sécurité.
La solution de batterie Li‑ion est disponible pour les fourgonnettes, les véhicules guidés automatisés (AGV), les bus urbains et interurbains, les camions légers, moyens et lourds, les camions de mines, les équipements agricoles, de construction et de terrassement (ACE), ainsi que pour les applications maritimes, ferroviaires et aéronautiques.
En ce qui concerne les ESS à l’échelle des services publics, les solutions de Microvast stockent l’énergie générée par des sources solaires ou éoliennes et la redistribuent au réseau selon les besoins, améliorant la performance, la résilience et la fiabilité du réseau. Elles comprennent un conteneur de batterie de 20 pieds doté d’une densité énergétique de 4,3 MWh, leader du secteur, d’une durée de vie supérieure à 10 000 cycles et de systèmes de suppression d’incendie de pointe.
De plus, Microvast possède un système de gestion de batterie propriétaire, le BMS 5.0, qui surveille le courant du pack, les températures des modules et les tensions des cellules.
En ce qui concerne la stratégie commerciale de Microvast, elle se concentre sur les innovations de production, une participation plus approfondie dans l’économie de la chaîne d’approvisionnement des batteries et l’entrée dans de nouveaux segments avec de nouveaux produits afin de diversifier les sources de revenus.
Pour développer son activité, l’entreprise travaille à augmenter sa capacité de production afin de répondre à la demande croissante des clients, à optimiser son cœur de métier pour atteindre une rentabilité soutenue, et à s’étendre géographiquement et sur de nouveaux marchés.
Actuellement, avec une capitalisation boursière de 757,7 millions de dollars, les actions de Microvast se négocient à 2,32 $, en hausse de 2,50 % cette année. Elles affichent un BPA (TTM) de -0,62 et un PER (TTM) de -3,77.
(MVST )
Les résultats financiers de l’entreprise, quant à eux, indiquent une croissance importante du chiffre d’affaires et de la marge brute pour l’exercice 2024, marqué par des développements opérationnels et stratégiques. L’année dernière, Microvast a enregistré un chiffre d’affaires record de 379,8 millions de dollars, en hausse de 23,9 % par rapport à l’année précédente. Sa marge brute s’est également améliorée à 31,5 %, une hausse significative par rapport à 18,7 %.
Cette croissance a été réalisée en Europe, au Moyen-Orient et en Afrique (EMEA), où l’entreprise s’attend à poursuivre cette progression en 2025. En APAC, l’expansion de la phase 3,2 de Huzhou est en cours pour répondre à la demande croissante des clients, Microvast accordant la priorité à « la découverte de nouvelles opportunités et segments de marché ».
Cependant, la perte nette a bondi à 195,5 millions de dollars, soit 0,61 $ par action. Son carnet de commandes, qui a atteint 401,3 millions de dollars, reflète quant à lui une forte demande pour sa technologie. Les dépenses d’investissement se sont élevées à 49,9 millions de dollars.
Microvast a clôturé 2024 avec 109,6 millions de dollars en liquidités, équivalents de liquidités, liquidités restreintes et placements à court terme.
Cette année, l’entreprise vise une croissance du chiffre d’affaires de 18 % à 25 %, atteignant entre 450 millions et 475 millions de dollars, et une marge brute de 30 %. De plus, l’objectif principal pour 2025 consiste à devenir positif en flux de trésorerie et à atteindre une forte croissance des ventes grâce à l’innovation continue, à la conquête de nouveaux marchés et à l’expansion de la capacité.
Microvast a déjà annoncé une étape importante dans le développement de sa technologie de batterie tout solide (ASSB) cette année. Son ASSB élimine complètement les électrolytes liquides et utilise une architecture d’empilement bipolaire. Cette innovation, selon le PDG Yang Wu, « représente un bond significatif pour relever les défis réels de sécurité et d’efficacité ».
Le plus important, son facteur de forme flexible et sa configuration de tension permettent aux batteries d’être fabriquées sur mesure pour répondre aux exigences spécifiques des systèmes robotiques avancés, faisant de l’ASSB un moteur essentiel pour les futures applications pilotées par l’IA.
Conclusion
La demande croissante d’appareils électroniques portables, de véhicules électriques et de systèmes de stockage d’énergie à l’échelle du réseau a conduit à une avancée rapide de la technologie des batteries, aboutissant au développement et à la recherche de batteries rechargeables de prochaine génération, caractérisées par une haute densité énergétique, une rentabilité et une durabilité environnementale.
La dernière étude, qui combine des nanoparticules d’étain avec des matrices de carbone dur, a réalisé une percée majeure en surmontant les limites des matériaux d’anode traditionnels et en offrant une densité énergétique améliorée, des capacités de charge plus rapides et une stabilité cyclique renforcée. Ces avantages, associés à sa polyvalence, rendent la nouvelle anode très prometteuse pour les technologies de batteries de prochaine génération.
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Études Référencées :
1. Choi, S., Han, D.-Y., Bok, T., Hwang, C., Kwak, M.-J., Yim, J.-H., Song, G., & Park, S. (2025). Nanodots d’étain catalytiques dans des structures de carbone dur pour des batteries à densité volumétrique et de puissance améliorées. ACS Nano, 19(10), 10476–10488. https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00528
