Les travaux sur les piles à l'état solide se poursuivent et les chercheurs se concentrent sur les éléments essentiels

Les batteries à semi-conducteurs, qui sont utilisés qui équipent les smartphones, les outils électriques et les VE, se distinguent des batteries Li-ion par l'utilisation d'électrolytes. Alors qu'une batterie Li-ion utilise un électrolyte liquide, une batterie à semi-conducteurs utilise un électrolyte solide. 

Dans le cas des batteries Li-ion, un séparateur est présent pour séparer la cathode et l'anode. Dans les batteries à l'état solide, l'électrolyte solide joue également le rôle de séparateur. 

Bien qu'il ne s'agisse que de caractéristiques distinctives, la communauté scientifique et technologique a développé les piles à l'état solide parce qu'elles offrent une meilleure stabilité grâce à une structure solide et une sécurité accrue. Elle continue d'y travailler car ces batteries conservent leur forme même si l'électrolyte est endommagé.

Une batterie à l'état solide présente une densité énergétique plus élevée et ne court pratiquement aucun risque d'explosion ou d'incendie. Comme elle ne nécessite pas le soutien de composants de sécurité, il y a plus d'espace disponible pour insérer des matériaux actifs, ce qui augmente la capacité de la batterie. La densité énergétique améliorée garantit également que le besoin en batteries reste faible, ce qui permet d'obtenir un système de batterie EV optimal pour le module et le pack. 

C'est principalement pour ces avantages que les experts du marché pensent que les batteries à semi-conducteurs changeront la donne et permettront aux VE de concurrencer les véhicules à moteur à combustion interne et, à terme, de prendre de l'avance dans la course. Mais cela n'empêche pas les chercheurs d'explorer les moyens de rendre les batteries à semi-conducteurs plus utiles. Dans l'une de ces recherchesDans le cadre d'un projet de recherche sur les piles à l'état solide, des scientifiques ont proposé le cas d'une pile à l'état solide ultra-mince à base de métal Li à haute densité énergétique, rendue possible par un électrolyte solide de type grenat résistant au Li2CO3. 

Tout cela peut sembler trop technique, mais dans le segment suivant, nous allons approfondir notre compréhension des objectifs de la recherche !

Création d'une plate-forme de batterie lithium-métal à l'état solide ultra-mince présentant une stabilité et une densité énergétique élevées

Professeur Byoungwoo Kang et Dr Abin Kim du département de science et d'ingénierie des matériaux de POSTECH a mis au point un électrolyte solide qui permet de créer une plate-forme de batterie à l'état solide ultra-mince à base de lithium-métal présentant une stabilité et une densité énergétique élevées.

The breakthrough achieved results by solving one of the most common causes of concern faced by solid-state batteries. What was that problem, and how could it be solved? Let’s have an in-depth look at it below!

La préoccupation du LLZO

L'électrolyte solide de type gamète utilisé en batteries à semi-conducteurségalement connu sous le nom de Li7La3Zr2O12 ou LLZO, possède une conductivité ionique élevée. Simultanément, il est également très réactif et forme une couche de contamination (Li2CO3) à sa surface lorsqu'il est exposé à l'air. Cette couche présente plusieurs inconvénients ou obstacles, notamment la formation d'une barrière résistive dans la construction des cellules, la réduction des propriétés de contact et interfaciales des électrolytes et des réactifs, etc. 

L'innovation s'est attaquée à cet obstacle et l'a renversé en se concentrant sur les éléments essentiels inhérents plutôt qu'en élaborant un remède externe. Les chercheurs ont mis au point une technologie LLZO manipulable à l'air (AH-LLZO) qui pourrait simultanément améliorer les propriétés internes et de surface du LLZO et empêcher la formation de couches de contaminants.

Ils ont atteint leur objectif en développant un nouveau composé hydrophobe (Li-Al-O) à la fois sur la surface et à l'intérieur du matériau. Ce composé a empêché la contamination de se propager à l'intérieur en faisant en sorte que la couche ne réagisse qu'à l'humidité de l'air. 

La couche en tant que solution avec des propriétés de contact et de mouillabilité améliorées s'est également traduite par le développement de batteries au lithium ultra-minces à l'état solide, d'une épaisseur d'environ un dixième de celle d'un cheveu humain.

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Pourquoi la recherche est-elle considérée comme une avancée ?

Les résultats ont conduit à un scénario dans lequel il est possible de préparer des couches de lithium métal ultra-minces, ce qui se traduit par un maigre rapport de capacité entre l'anode et la cathode, de l'ordre de 0,176 dans les batteries à l'état solide. 

L'expérience permet également de réduire considérablement la quantité de lithium métal utilisée, ce qui réduit le poids et le volume de la batterie et améliore sensiblement la densité énergétique. 

Si elle est mise en œuvre, la recherche et ses résultats permettront le stockage dans l'air sans nécessiter de manipulation ou d'installations spéciales. Outre la simplification de l'ensemble du processus, l'innovation conduit à la production d'électrolytes solides de type grenat, plus faciles à utiliser. 

En parlant de l'avenir, le professeur Byoungwoo Kang a fait remarquer :

“We will continue to work on ultra-thin lithium metal solid-state batteries that can achieve high safety and high energy density.”

The research shows that focusing on essentials can help us convert a product’s drawbacks into its strengths. Businesses and commercial entities are investing in research and resources to make solid-state batteries more conducive and beneficial for future automobiles. In the following segments, we look into such companies and their innovations. 

#1. Puissance solide

Solid Power est une entreprise qui réalise un travail exceptionnel dans ce domaine. Ses batteries à semi-conducteurs offrent une énergie élevée, une sécurité accrue, une durée de vie plus longue et des avantages significatifs en termes de coûts. 

Il permet d'utiliser des électrodes de plus grande capacité, comme le silicium à haute teneur et le lithium métal, tout en renforçant les normes de sécurité en éliminant les composants liquides et gels réactifs et volatils. 

Le résultat est évident dans les batteries qui peuvent résister et fonctionner efficacement à des températures extrêmement élevées. L'entreprise affirme que ses produits présentent un avantage de coût 15-35% par rapport aux batteries Li-ion. 

Solid Power’s all-solid-state battery portfolio includes three major products: silicon EV Cells, Lithium Metal cells, and Conversion Reaction Cells. 

Cellule EV en silicium

It has a high-content silicon anode, which results in high charge rates and lower temperature capabilities. Solid Power’s proprietary sulfide-based solid electrolytes power the solution. It uses industry-standard, commercially mature NMC Cathodes. 

Lithium métal

Le produit tire son nom de ses anodes en lithium métal à haute énergie. Sa capacité est légèrement supérieure à celle de la cellule EV au silicium, qui a une spécification de 390 Wh/kg, tandis que la cellule au lithium métal a une capacité de 440 Wh/kg. 

Cellule de réaction de conversion

Among all the products in Solid Power’s portfolio, it has the maximum performance capacity of 560 wh/kg. Its uniqueness is in the ultra-low-cost and high-specific energy conversion-type cathode. 

Based in Colorado, United States, Solid Power strongly believes in its batteries’ transformative capacity. It believes its all-solid-state battery cells would meet OEMs’ volume and cost requirements.

Dans son dernier dossier d'investissement disponibleLa société (Nasdaq : SLDP) affirme être le seul développeur de véritables batteries à l'état solide coté en bourse à avoir levé à ce jour $700 millions de dollars américains. L'entreprise prospère grâce à ses investissements en R&D qui remontent à plus de dix ans et qui ont donné lieu à près de 50 familles de brevets mondiaux et à trois partenaires de développement leaders de l'industrie (BMW, Ford, SK On).

#2. QuantumScape

QuantumScape, another major player in the field, declares to be on a mission to ‘transform energy storage with solid-state lithium-metal battery technology.’ It also claims to être habilitant ‘greater energy density, faster charging, and enhanced safety’ – the three essential basic qualities the POSTECH research also focuses on. 

L'un des QuantumScape’s most notable stand-out features est qu'il a developed the industry’s first anode-less cell designce qui permet d'obtenir une densité énergétique élevée tout en réduisant les coûts des matériaux et en simplifiant la fabrication.

The Quantumscape technology platform uses a variety of cathode chemistries to significantly improve the energy densities of today’s Nickel Manganese Cobalt (NMC) and Lithium Iron Phosphate (LFP)- based battery cells. Their efforts ensure optimization for diverse energy storage applications and keep the field ready to leverage future cathode chemistry advancements. 

Un autre atout de l'entreprise est son matériau séparateur, qui est réalisée of ceramics that offer high conductivity, stability to lithium metal, resistance to dendrite formation, and low interfacial impedance. Another advantage of using ceramic is that it comes with enhanced safety as it is non-combustible and – therefore – safer than conventional polymer separators that comprise hydrocarbons and are more prone to burning. 

QuantumScape works with a target of 800–1,000 Wh/L with its solid-state lithium-metal cells.

Sur le plan financier, QuantumScape (NYSE : QS) est soutenu par des investissements d'une valeur de plus de $2 milliards de dollars US. Elle possède plus de 300 brevets et demandes de brevets.

L'avenir des piles à l'état solide

Les batteries à semi-conducteurs ne sont plus une technologie d'avenir comme l'avenir est déjà là. De nombreux projets d'avant-garde la recherche dans les meilleurs instituts font progresser son programme d'action. chaque jour.

En janvier 2024, par exemple, des chercheurs de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont présenté une batterie à l'état solide avec une pile au lithium métal. capable d'assurer 6 000 cycles de charge/décharge—significantly more than any other pouch battery cell on the market.

The research is similar to the one we cited at the beginning of our article, as Harvard researchers also dealt with the familiar problem of dendrites forming on the anode’s surface. 

Apart from the specialized businesses we’ve discussed, including Solid Power and QuantumScape, there are big guns involved in this field, too. For instance, in October 2023, Toyota and Idemitsu Kosan announced a partnership to développer des batteries à semi-conducteurs pour les véhicules électriques.

La vision qui a présidé à cette collaboration était pour le moins ambitieuse. Le communiqué de presse indique ce qui suit :

“Through this collaboration, the two companies, which lead the world in the fields including material development relating to all-solid-state batteries, seek to ensure the successful commercialization of all-solid-state batteries in 2027-28―as announced at the Atelier technique Toyota in June 2023―followed by full-scale mass production.”

Honda est une autre entreprise qui a décidé de faire un grand pas dans ce domaine. L'entreprise est active dans ce domaine depuis un certain temps déjà. En janvier 2024, les autorités de Honda ont déclaré qu'il était visant une réduction de poids de 50%—or, to put it another way, a 50% boost in energy density by weight. 

Le PDG de Honda, Toshihiro Mibe, a expliqué que si Honda voulait créer une voiture coûtant $30 000 euros, il pourrait envisager d'utiliser des batteries à semi-conducteurs car le coût des batteries diminuerait, l'autonomie augmenterait et le prix des batteries augmenterait. le système de refroidissement pourrait être simplifié.

Toutefois, les efforts déployés à l'échelle mondiale pour rendre les piles à l'état solide plus robustes et plus sûres se heurtent encore à certaines difficultés. L'objectif est d'optimiser ses propriétés de base, notamment la sécurité, la stabilité, la performance énergétique et l'efficacité du stockage électrochimique. Les obstacles, quant à eux, sont la viabilité des performances à long terme, la viabilité économique et la fourniture précise de normes de puissance spécifiques. 

Si nous allons plus loin, nous verrons que les défis comprennent également des performances de cyclage inadéquates dans les batteries à l'état solide actuelles (SSB) en raison de la dégradation des matériaux dans les anodes, les cathodes et les électrolytes. Le Conseil américain pour la recherche automobile a fixé un objectif de durée de vie de la batterie de 10 ans avec 1000 cycles à une profondeur de décharge de 80%. 

Ce qui empêche les piles à l'état solide d'atteindre souvent cet objectif est la formation de couches de charge spatiale, qui entraîne une cinétique interfaciale lente et une impédance élevée, ainsi que la croissance de dendrites, qui provoque des courts-circuits et des risques pour la sécurité. 

However, there are solutions to these challenges. Manufacturers would have to focus on producing high-energy-density SSBs and enhancements. After all, these products have high thermal stability, eliminating safety concerns even at temperatures exceeding 200 °C, whereas liquid electrolytes may pose threats at just above 70 °C. Solid-state electrolytes can offer leak-free operation and impart greater electrochemical stability than their liquid counterparts. 

Les électrolytes à l'état solide sont également plus souhaitables car ils peuvent réduire l'affaiblissement de la capacité et les courts-circuits internes. Leur conductivité ionique élevée et leur faible conductivité électronique permettent également de charger les véhicules plus rapidement.

Selon le QuantumScape’s estimates, a vehicle that gets around 350 miles of range on a single charge using one of today’s premier traditional lithium-ion cells with an energy density of ~700 Wh/L could get between 400 and 500 miles of range using QuantumScape’s solid-state cells. 

Dans l'ensemble, les batteries à l'état solide sont indispensables à la mobilité future. Elles doivent être efficaces, sûres, rentables et durables.

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