Les travaux se poursuivent sur les batteries à état solide alors que les chercheurs se concentrent sur l’essentiel

Les batteries à état solide, qui sont utilisées dans les smartphones, les outils électriques et les véhicules électriques, diffèrent des batteries Li-ion par leur utilisation d’électrolytes. Alors qu’une batterie Li-ion utilise un électrolyte liquide, une batterie à état solide utilise un électrolyte solide. 

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

Bien que ces caractéristiques ne soient que des différences, la communauté scientifique et technologique a développé les batteries à état solide parce qu’elles offrent une stabilité améliorée grâce à une structure solide et une sécurité accrue. Elles continuent d’être développées car ces batteries conservent leur forme même si l’électrolyte est endommagé.

Une batterie à état solide offre une densité énergétique plus élevée et présente peu de risque d’explosion ou d’incendie. Comme elle ne nécessite pas de composants de sécurité, davantage d’espace est disponible pour insérer des matériaux actifs, augmentant ainsi la capacité de la batterie. La densité énergétique améliorée garantit également que la demande en batteries reste faible, aboutissant à un système de batterie EV optimal pour le module et le pack. 

Pour ces avantages, les experts du marché estiment que les batteries à état solide deviendront un facteur de changement majeur en permettant aux véhicules électriques de rivaliser avec les véhicules à moteur à combustion interne et, finalement, de prendre de l’avance dans la course. Mais cela n’empêche pas les chercheurs d’explorer comment rendre les batteries à état solide plus utiles. Dans une telle recherche, les scientifiques ont avancé le cas d’une batterie à état solide ultra‑fine en lithium métal à haute densité énergétique, rendue possible par un électrolyte solide de type grenat résistant au Li2CO3. 

Bien que tout cela puisse sembler trop technique, dans la prochaine section, nous approfondirons la compréhension de ce que la recherche vise à accomplir !

Permettre une plateforme de batterie à état solide ultra‑fine en lithium métal avec une haute stabilité et une densité énergétique élevée

Le professeur Byoungwoo Kang et le Dr Abin Kim du département de science et génie des matériaux à POSTECH ont développé un électrolyte solide qui permet une plateforme de batterie à état solide ultra‑fine en lithium métal avec une haute stabilité et une densité énergétique élevée.
La percée obtenue a résolu l’une des causes les plus courantes d’inquiétude concernant les batteries à état solide. Quel était ce problème, et comment pourrait‑il être résolu ? Examinons-le en profondeur ci‑dessous !

Le problème LLZO

L’électrolyte solide de type grenat utilisé dans les batteries à état solide, également connu sous le nom de Li7La3Zr2O12 ou LLZO, possède une haute conductivité ionique. Simultanément, il est très réactif et forme une couche de contamination (Li2CO3) à sa surface lorsqu’il est exposé à l’air. Cette couche entraîne plusieurs inconvénients ou obstacles, notamment la formation d’une barrière résistive lors de la construction de la cellule, la réduction des propriétés de contact et d’interface des électrolytes et des réactifs, etc. 

L’innovation a relevé cet obstacle et l’a contourné en se concentrant sur les éléments essentiels inhérents plutôt qu’en cherchant une solution externe. Les chercheurs ont développé une technologie LLZO manipulable à l’air (AH‑LLZO) capable d’améliorer simultanément les propriétés de surface et internes du LLZO et d’empêcher la formation de couches contaminantes.

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 empêche la contamination de se propager à l’intérieur en faisant réagir la couche uniquement avec l’humidité de l’air. 

Cette couche, en tant que solution avec des propriétés de contact et d’étanchéité améliorées, a également conduit au développement de batteries à état solide ultra‑fines en lithium, d’environ un dixième de l’épaisseur d’un cheveu humain.

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Pourquoi la recherche est‑elle considérée comme une percée ?

Les résultats ont conduit à un scénario où il est possible de préparer des couches ultra‑fines de lithium métal, aboutissant à un faible rapport de capacité anode/cathode, d’environ 0,176 dans les batteries à état solide. 

L’expérience permet également de réduire de façon significative la quantité de lithium métal utilisée, diminuant le poids et le volume totaux de la batterie et améliorant considérablement la densité énergétique. 

Si elle est mise en œuvre, la recherche et ses conclusions permettraient le stockage à l’air sans besoin de manipulations ou d’installations spéciales. En plus de simplifier l’ensemble du processus, l’innovation conduit à la production d’électrolytes solides de type grenat dotés d’une utilisabilité plus pratique. 

En parlant de l’avenir, le professeur Byoungwoo Kang a déclaré :

« Nous continuerons à travailler sur des batteries à état solide ultra‑fines en lithium métal qui peuvent offrir une grande sécurité et une haute densité énergétique. »

La recherche montre que se concentrer sur l’essentiel peut nous aider à transformer les points faibles d’un produit en atouts. Les entreprises et les entités commerciales investissent dans la recherche et les ressources afin de rendre les batteries à état solide plus adaptées et bénéfiques pour les automobiles du futur. Dans les sections suivantes, nous examinerons ces entreprises et leurs innovations. 

#1. Solid Power

Une entreprise qui réalise un travail exceptionnel dans ce domaine est Solid Power (SLDP ). Ses batteries tout‑solide offrent une haute énergie, une sécurité renforcée, une durée de vie plus longue et des avantages de coût significatifs. 

Elle permet l’utilisation d’électrodes à capacité plus élevée comme le silicium à haute teneur et le lithium métal tout en renforçant les normes de sécurité en éliminant les composants liquides et gélifiés réactifs et volatils. 

Le résultat est visible dans des batteries capables de résister et de fonctionner efficacement à des températures extrêmement élevées. L’entreprise affirme que ses produits offrent un avantage de coût de 15 à 35 % par rapport aux packs Li‑ion. 

Le portefeuille de batteries tout‑solide de Solid Power comprend trois produits majeurs : les cellules EV en silicium, les cellules en lithium métal et les cellules à réaction de conversion. 

Cellule EV en silicium

Elle possède une anode à haute teneur en silicium, ce qui entraîne des taux de charge élevés et des capacités de température plus basses. Les électrolytes solides à base de sulfure propriétaires de Solid Power alimentent la solution. Elle utilise des cathodes NMC standard de l’industrie, commercialement matures. 

Lithium métal

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

Cellule à réaction de conversion

Parmi tous les produits du portefeuille de Solid Power, elle possède la capacité de performance maximale de 560 Wh/kg. Son originalité réside dans la cathode de type conversion à ultra‑faible coût et à haute énergie spécifique. 

Basée au Colorado, aux États-Unis, Solid Power croit fermement au potentiel transformateur de ses batteries. Elle estime que ses cellules de batterie tout‑solide répondraient aux exigences de volume et de coût des OEM.

#2. QuantumScape

QuantumScape (QS ), un autre acteur majeur du secteur, déclare être en mission pour « transformer le stockage d’énergie avec la technologie de batterie à état solide lithium‑métal ». Elle affirme également permettre « une plus grande densité énergétique, une charge plus rapide et une sécurité renforcée » – les trois qualités de base essentielles sur lesquelles la recherche de POSTECH se concentre également. 

L’une des Les caractéristiques les plus remarquables de QuantumScape est qu’elle a développé la première conception de cellule sans anode de l’industrie, entraînant une haute densité énergétique avec des coûts matériels réduits et une fabrication simplifiée.

La plateforme technologique de QuantumScape utilise une variété de chimies de cathode pour améliorer significativement les densités énergétiques des cellules de batterie actuelles à base de nickel‑manganèse‑cobalt (NMC) et de phosphate de fer lithium (LFP). Leurs efforts assurent une optimisation pour diverses applications de stockage d’énergie et préparent le terrain pour exploiter les avancées futures de la chimie des cathodes.

Un autre argument de vente unique de l’entreprise est son matériau séparateur, qui est fabriqué de céramiques offrant une haute conductivité, une stabilité au lithium métal, une résistance à la formation de dendrites et une faible impédance interfaciale. Un autre avantage de l’utilisation de la céramique est qu’elle offre une sécurité renforcée car elle est incombustible et donc plus sûre que les séparateurs polymères conventionnels qui contiennent des hydrocarbures et sont plus susceptibles de brûler. 

QuantumScape vise un objectif de 800 à 1 000 Wh/L avec ses cellules lithium‑métal à état solide.

L’avenir des batteries à état solide

Les batteries à état solide ne sont plus une technologie du futur car le futur est déjà arrivé. De nombreuses recherches de pointe provenant d’instituts de premier plan font progresser sa cause chaque jour.

En janvier 2024, par exemple, des chercheurs de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont présenté une batterie à état solide avec un lithium métal capable de fournir 6 000 cycles charge/décharge—bien plus que toute autre cellule de batterie pouch sur le marché.

La recherche est similaire à celle que nous avons citée au début de notre article, les chercheurs de Harvard ayant également traité le problème familier des dendrites se formant à la surface de l’anode. 

En dehors des entreprises spécialisées que nous avons évoquées, y compris Solid Power et QuantumScape, il y a aussi des acteurs majeurs impliqués dans ce domaine. Par exemple, en octobre 2023, Toyota et Idemitsu Kosan ont annoncé un partenariat pour développer des batteries à état solide pour les véhicules électriques.

La vision qui a motivé cette collaboration était ambitieuse, pour le dire légèrement. Elle a déclaré ce qui suit dans le communiqué de presse :

« Grâce à cette collaboration, les deux entreprises, qui sont leaders mondiaux dans les domaines incluant le développement de matériaux liés aux batteries tout‑solide, cherchent à garantir la commercialisation réussie des batteries tout‑solide en 2027‑28 — comme annoncé lors du Toyota Technical Workshop en juin 2023 — suivi d’une production de masse à grande échelle. »

Une autre entreprise qui a décidé de faire un grand pas dans ce domaine était Honda. L’entreprise est active dans ce secteur depuis un certain temps. En janvier 2024, les responsables de Honda ont déclaré qu’ils visaient une réduction de 50 % du poids—ou, pour le dire autrement, une augmentation de 50 % de la densité énergétique par poids. 

Le PDG de Honda, Toshihiro Mibe, a expliqué que si Honda voulait créer une voiture coûtant 30 000 $, elle pourrait envisager les batteries à état solide car le coût des batteries diminuerait, l’autonomie augmenterait, et le système de refroidissement pourrait être simplifié.

Cependant, les efforts mondiaux pour rendre les batteries à état solide plus robustes et sûres rencontrent encore des défis. L’objectif est d’optimiser leurs propriétés de base, incluant la sécurité, la stabilité, la performance énergétique et l’efficacité du stockage électrochimique. Les obstacles, quant à eux, comprennent la viabilité des performances à long terme, la viabilité économique et la délivrance précise de normes de puissance spécifiques. 

Si nous approfondissons, nous verrons que les défis incluent également une performance de cyclage insuffisante dans les batteries à état solide actuelles (SSB) en raison de la dégradation du matériau dans les anodes, cathodes et électrolytes. Le Conseil américain pour la recherche automobile a fixé un objectif de durée de vie de batterie de 10 ans avec 1000 cycles à 80 % de profondeur de décharge. 

Ce qui empêche souvent les batteries à état solide d’atteindre 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 de sécurité. 

Cependant, il existe des solutions à ces défis. Les fabricants devront se concentrer sur la production de SSB à haute densité énergétique et leurs améliorations. Après tout, ces produits possèdent une haute stabilité thermique, éliminant les problèmes de sécurité même à des températures supérieures à 200 °C, alors que les électrolytes liquides peuvent présenter des risques dès 70 °C environ. Les électrolytes à état solide peuvent offrir un fonctionnement sans fuite et conférer une plus grande stabilité électrochimique que leurs homologues liquides. 

Les électrolytes à état solide sont également plus souhaitables car ils peuvent réduire la perte de capacité et les courts-circuits internes. Leur haute conductivité ionique et leur faible conductivité électronique assurent également que les véhicules se rechargent plus rapidement.

Selon les estimations de QuantumScape, un véhicule qui parcourt environ 350 miles d’autonomie avec une charge unique en utilisant l’une des meilleures cellules lithium‑ion traditionnelles d’aujourd’hui avec une densité énergétique d’environ 700 Wh/L pourrait atteindre entre 400 et 500 miles d’autonomie en utilisant les cellules à état solide de QuantumScape. 

Dans l’ensemble, les batteries à état solide sont indispensables pour la mobilité du futur. Elles doivent être efficaces, sûres, économiques et durables.

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