Avantages (et inconvénients) des batteries solides
Plan de l'article :
A n'en pas douter, et même en ayant un esprit très critique, les batteries solides représentent une avancée majeure dans le secteur des voitures électriques, promettant des progrès significatifs en termes de prestations. Il est toutefois tant de voir à quel point elles représentent une avancée par rapport aux traditionnelles batteries "liquides".
Voici un aperçu à la fois détaillé et synthétique de cette technologie de batterie.
Solide ? Semi-solide ?
Les batteries solides (stade expérimental) utilisent un électrolyte entièrement solide pour transporter les ions entre l'anode et la cathode. L'électrolyte solide peut être un matériau céramique, polymère ou un sulfure. Les batteries semi-solides (déjà commercialisées), aussi appelées batteries "à matière condensée", utilisent un électrolyte qui combine des composants solides et liquides. Ce type de batterie cherche à optimiser les avantages des électrolytes solides tout en conservant une partie de l'électrolyte liquide pour faciliter la mobilité des ions.
Actuellement les semi-solides commencent à se répandre sur le marché avec une densité de 500 Wh/kg tandis que les solides peuvent atteindre 750 Wh/kg. Le souci reste de pouvoir produire ces cellules à échelle industrielle et non se cantonner à des laboratoires ... Toute nouvelle technologie connaît cette phase cruciale qui va permettre ou pas sa démocratisation. Les batteries solides sont plus difficiles à produire en raison des exigences élevées en matière de pureté des matériaux et des processus de fabrication.
Fonctionnement et composition des batteries solides
Contrairement aux batteries lithium traditionnelles utilisant un électrolyte liquide, les batteries solides utilisent justement un électrolyte solide.
Voici une batterie "classique"
Il existe toutefois deux principaux types de batteries solides qui diffèrent beaucoup :
Batteries avec électrolyte solide : Elles conservent les matériaux des batteries classiques mais remplacent l’électrolyte liquide par un électrolyte solide ou relativement gélatineux.
Batteries tout-solide : Elles utilisent du lithium métallique au lieu d'une électrode en graphite. Ces batteries remplacent non seulement l'électrolyte liquide par un électrolyte solide, mais utilisent également des matériaux actifs nouveaux et souvent plus performants. L'anode peut être composée de lithium métallique au lieu de graphite, ce qui permet une densité énergétique beaucoup plus élevée.
Avantages des batteries solides
- Meilleure performance à haute température : Les électrolytes solides sont capables de fonctionner sur une plage de températures plus large que les électrolytes liquides (qui changent de viscosité avec le chaud et le froid). Elles peuvent donc fonctionner à des températures plus élevées ou plus basses sans perte de performance.
- Sécurité accrue : L’électrolyte solide réduit les risques de court-circuit et de surchauffe. Les électrolytes solides ne sont pas inflammables ni volatils contrairement à ceux actuels (composé de solvants organiques liquides, tels que l'éthylène carbonate, qui sont volatils et peuvent s'enflammer), ce qui les rend beaucoup plus sûrs que les électrolytes liquides. Les risques d'incendie ou d'explosion associés aux batteries au lithium-ion sont en partie dus aux électrolytes liquides qui sont inflammables et volatils. Les batteries à électrolyte solide sont donc considérées comme plus sûres, notamment face aux contraintes mécaniques.
- Pas de fuites : Ca rejoint un peu le point précédent, les électrolytes solides ne fuient pas limitent donc les risques suite au perçage d'une cellule.
- Densité énergétique améliorée : Les batteries solides peuvent atteindre une densité énergétique de 750 à 900 Wh/kg, soit 3 à 4 fois plus que les batteries actuelles. Les électrolytes solides permettent aussi d'augmenter la densité d'énergie de la batterie en évitant l'utilisation d'une membrane séparatrice qui prend de l'espace.
C'est la solution d'avenir qui devrait remplacer la technologie à électrolyte solide. Les deux grandes différences entre un électrolyte liquide (gel) et solide résident dans leur état physique et dans leur composition chimique, mais voyons cela plus en détails ...
Les électrolytes liquides sont des solutions qui sont constituées d'un sel de lithium dissous dans un solvant organique, comme des carbonates de propylène, d'éthylène ou de diméthyle carbonate. Ces solvants organiques sont choisis pour leurs propriétés de solubilité et de conductivité électrique. Les électrolytes liquides sont souvent utilisés dans les batteries au lithium-ion, car ils offrent une conductivité élevée, une faible viscosité (dépend toutefois de la température) et une grande flexibilité en termes de chimie de la batterie et de conception de la cellule.
Inconvénients des batteries solides
- dégradation rapide : Les dendrites de lithium se forment plus facilement lors des cycles de charge, provoquant des courts-circuits et réduisant la durée de vie des batteries. Pour le moment (concernant les batteries commercialisées par des équipementiers) le nombre de cycles se limite à 1000 contre 3000 à 5000 pour les batteries à électrolyte liquide équivalentes. Cela évolue toutefois très rapidement et il est donc difficile d'estimer à l'heure actuelle jusqu'à quel nombre de cycles on peut monter. L'objectif est justement de dépasser les types actuels ...
- Problèmes de conductivité : Les matériaux solides utilisés dans les électrolytes limitent la mobilité des ions, affectant l'efficacité de la batterie (conductivité et instabilité aux jonctions des matériaux solides, limitant la mobilité des électrons).
- Difficulté de production : La fabrication à grande échelle reste complexe, ralentissant la commercialisation.
- Coût élevé : Les matériaux et processus nécessaires rendent ces batteries plus coûteuses que les technologies lithium-ion traditionnelles.
De quoi se composent les électrolytes solides ?
Les électrolytes solides sont, quant à eux, constitués d'un matériau solide qui est capable de transporter des ions de lithium à travers la cellule. Ils peuvent être fabriqués à partir d'une variété de matériaux, tels que des céramiques (bêta-alumine de lithium (LiAl5O8), la phosphate de lithium (Li3PO4) et la silice de lithium (Li2SiO3)), des polymères (à base de PEO (polyoxyéthylène), de PEO modifié et de PEO-LiX (X = un autre sel de lithium)) ou des composites. Les électrolytes solides présentent plusieurs avantages potentiels par rapport aux électrolytes liquides et que nous allons recenser juste après. Toutefois, les électrolytes solides ont également des inconvénients, comme une conductivité ionique plus faible et une difficulté à être intégrés dans des cellules de batterie de grande taille.
A cela s'ajoute un coût de revient qui est en toute logique plus important, de par la nouveauté (manque d'amortissement financier et pas d'économies d'échelle) mais aussi par les composés chimiques choisis qui sont onéreux.
Enfin, la production de films minces de haute qualité pour les électrolytes solides nécessite des techniques de fabrication sophistiquées, telles que le dépôt de vapeur chimique et la spin-coating, qui peuvent également augmenter le coût de production.
Les électrolytes utilisés dans les batteries au lithium-ion sont généralement des sels de lithium dissous dans des solvants organiques, tels que des carbonates de propylène, d'éthylène ou de diméthyle carbonate. Ces solvants sont choisis pour leurs propriétés de solubilité et de conductivité électrique, et sont capables de dissoudre des quantités importantes de sel de lithium.
Les formulations précises des électrolytes peuvent varier en fonction de la chimie de la batterie, de la tension de fonctionnement et d'autres facteurs, mais elles sont généralement constituées d'un mélange de solvants organiques, de sels de lithium et d'additifs pour améliorer la performance de la batterie.
Certaines formulations d'électrolyte sont protégées par des brevets et peuvent être considérées comme des secrets commerciaux, mais dans l'ensemble, les compositions d'électrolyte pour les batteries lithium-ion sont assez bien documentées et ne sont pas considérées comme des informations hautement confidentielles.
Où en est-on en 2024 ?
Voici un aperçu de l'état actuel du développement des batteries solides :
- Avancées technologiques : Les batteries à électrolyte solide (SSB) sont en plein développement et pourraient atteindre le marché en volumes significatifs d'ici 2025-2030. Elles sont prometteuses bien que des problèmes restent à surmonter, notamment la compatibilité chimique entre l'électrolyte solide et les matériaux actifs comme l'anode en lithium métallique et les cathodes à haute tension.
- Matériaux utilisés : Les anodes en lithium métallique et en silicium sont les plus prometteuses, mais la fabrication à grande échelle des anodes en lithium est encore complexe. Les cathodes les plus intéressantes sont les oxydes riches en nickel (NMC/NCA) et le phosphate de fer lithié (LFP). Le choix de l'électrolyte solide est également crucial : les électrolytes en oxyde, en sulfure et en polymère sont les options principales, chacune ayant ses avantages et inconvénients.
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Challenges : Les principaux défis techniques incluent la production de matériaux compatibles, la gestion des changements de volume des électrodes, et les limites de conductivité ionique des électrolytes solides à température ambiante.
- Applications : L'automobile est le principal moteur du développement des batteries solides, mais celles-ci pourraient d'abord être utilisées dans des produits électroniques grand public (ordinateurs, smartphones) avant d'entrer sur le marché des véhicules électriques de masse.
- Perspectives de marché : Le marché des batteries solides est encore limité (<2 GWh de capacité de production mondiale), mais une augmentation significative est prévue entre 2025 et 2030, avec une capacité estimée entre 15 et 40 GWh d'ici 2030, et potentiellement 55-120 GWh d'ici 2035.
Conclusion
Les batteries solides ont donc le potentiel de transfigurer la mobilité électrique en offrant des véhicules bien plus performants en terme de concentration d'énergie. Les collaborations industrielles, comme celle entre QuantumScape et Volkswagen, accélèrent le développement et la production de cette technologie, ouvrant la voie à une adoption généralisée dans un avenir plus ou moins proche (surtout plus ..), car industrialiser de nouveaux procédés est long et il faut éviter une trop grande rupture technologique, cela pourrait inquiéter les clients et donc ralentir les ventes : les gens se disant que la technologie avance trop vite, il serait trop risqué d'acheter un véhicule neuf ...
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