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.