Qu'est-ce qu'une batterie à semi-conducteurs ?
Pour ceux qui s'intéressent à l'industrie des batteries, le terme "batterie à semi-conducteurs"est certainement familier. Cette nouvelle technologie est considérée comme une amélioration des piles au lithium, capable de multiplier par plusieurs fois la durée de vie des piles actuelles.
Dans le secteur des véhicules électriques en particulier, les batteries à semi-conducteurs sont considérées comme la clé de la révolution du secteur. Imaginez une voiture électrique capable de rouler pendant 1 000 km et qui ne met que quinze minutes à se recharger complètement : c'est très séduisant !
Ce potentiel a donné lieu à une concurrence intense entre tous les fabricants de piles dans ce domaine. Qu'est-ce qui rend les piles à l'état solide si magiques ? Veuillez lire l'article suivant pour une compréhension complète des batteries à l'état solide.
Qu'est-ce qu'une batterie à l'état solide ?
Le concept de batterie à électrolyte solide a été introduit pour la première fois par le scientifique britannique Michael Faraday. Cependant, pendant plus d'un siècle, les électrolytes solides ont semblé s'effacer de la scène de l'histoire, disparaissant de la vue des hommes. Au début de ce siècle, l'humanité a tranquillement repris là où Faraday s'était arrêté il y a plus de 100 ans, en se lançant à nouveau dans l'exploration des électrolytes solides.
La plus grande différence entre les piles à l'état solide et les piles au lithium réside dans le fait que les piles à l'état solide ne sont pas des piles au lithium. SSB absence d'électrolytes liquides ou en gel. Les batteries à l'état solide utilisent plutôt des composés de verre à base de lithium ou de sodium comme électrolytes solides, à travers lesquels les ions lithium migrent. Dans les solides, la conductivité ionique est relativement élevée et le risque de fuite et de production de gaz est minimisé, ce qui améliore la sécurité et la densité énergétique de la batterie.
Pourquoi développer des batteries à l'état solide ?
Dans l'industrie des batteries, les batteries au lithium liquide, qu'il s'agisse de batteries au lithium fer ou de batteries au lithium ternaire, sont considérées comme ayant atteint leurs "limites". Il est devenu de plus en plus difficile de réaliser de nouvelles percées technologiques. Cela signifie que pour obtenir des batteries de plus grande capacité avec des volumes plus petits, de nouvelles technologies doivent être développées.
En même temps, les batteries à l'état solide peuvent résoudre fondamentalement les principaux problèmes de sécurité des batteries lithium-ion. Les batteries lithium-ion traditionnelles peuvent s'enflammer ou exploser en raison des électrolytes organiques inflammables et volatils qu'elles contiennent.
En outre, des problèmes tels que la corrosion de l'électrolyte, la volatilisation et les fuites peuvent poser de sérieux risques de sécurité pour le système de batterie. Électrolytes solidesEn revanche, ils sont intrinsèquement ininflammables, résistants à la chaleur, non corrosifs et non volatils. Ils offrent une meilleure résistance mécanique, une meilleure stabilité thermique et une meilleure stabilité électrochimique que les électrolytes traditionnels. l'amélioration significative de la sécurité de la batterie.
Trois voies principales pour les piles à l'état solide
Les piles à l'état solide suivent principalement trois voies technologiques : polymère, oxyde et sulfure. Les matériaux de cathode et les voies des piles à l'état solide ne diffèrent pas sensiblement de ceux des piles au lithium liquide. Les différentes voies technologiques se distinguent principalement par les types d'électrolytes utilisés. En fonction des électrolytes, les filières des piles à l'état solide peuvent être divisées en trois catégories : polymère, oxyde (avec ou sans film) et sulfure, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients.
A. Polymère
Avantages:
-
- Facile à traiter, les équipements et processus de production d'électrolytes liquides existants peuvent répondre aux besoins de la production et de la recherche.
Inconvénients:
-
- Faible conductivité, nécessitant un chauffage à 60 degrés Celsius pour fonctionner correctement.
- Mauvaise stabilité, incompatibilité avec les matériaux des cathodes à haute tension et tendance à s'enflammer à haute température.
- Fenêtre électrochimique étroite, l'électrolyte se décomposant facilement à des différences de tension élevées (>4V).
B. Sulfure
Avantages:
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- La conductivité la plus élevée et une large fenêtre de stabilité électrochimique (supérieure à 5V) en font le produit le plus prometteur pour le développement.
Inconvénients:
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- Mauvaise stabilité thermique, la réaction thermique commençant à une température comprise entre 400 et 500°C.
- Processus de préparation complexe et susceptible de réagir avec l'eau et l'oxygène de l'air pour produire du sulfure d'hydrogène, un gaz hautement toxique.
C. Oxyde
Avantages:
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- Bonne conductivité et stabilité, conductivité ionique supérieure à celle du polymère, stabilité thermique jusqu'à 1000 degrés Celsius et excellente stabilité mécanique et électrochimique.
Inconvénients:
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- Conductivité plus faible que celle des sulfures.
- Problèmes de contact avec l'interface rigide.
Actuellement, les orientations de recherche des différents fabricants de batteries diffèrent. La Chine et les États-Unis se concentrent principalement sur la voie de l'oxyde tout en explorant simultanément de nouvelles voies. Les entreprises japonaises, telles que Honda, ont tendance à privilégier la voie du sulfure. En raison des coûts de recherche et de la difficulté relativement moindres, plusieurs batteries à l'état semi-solide ont vu des applications commerciales dans le système d'oxyde d'ici à 2024. Toutefois, dans une perspective à long terme, malgré la difficulté élevée de la recherche, l'électrolyte solide sulfuré, avec ses excellentes performances et son potentiel important, continue d'attirer des investissements substantiels et des efforts de recherche de la part de sociétés de batteries bien capitalisées.
Trois voies principales pour les piles à l'état solide
Avantages des piles à l'état solide
Densité énergétique élevée:
Avec l'utilisation d'électrolytes à l'état solide, le système de matériaux applicable aux batteries lithium-ion change de manière significative. L'un des principaux changements est l'élimination du besoin d'anodes en graphite intercalé au lithium. Les batteries à l'état solide peuvent utiliser le lithium métal comme matériau d'anode. La capacité spécifique théorique du lithium métal est de 3 860 mAh/g, contre seulement 372 mAh/g pour l'anode en graphite des batteries lithium-ion traditionnelles. Cela permet aux batteries de dépasser les limites chimiques et d'atteindre des niveaux de performance plus élevés.
Volume réduit:
Les batteries lithium-ion traditionnelles nécessitent des séparateurs et des électrolytes qui, ensemble, occupent près de 40% du volume de la batterie et 25% de sa masse. En les remplaçant par des électrolytes solides (principalement des matériaux céramiques organiques et inorganiques), la distance entre les électrodes positives et négatives (traditionnellement remplies par des séparateurs et des électrolytes, maintenant remplies par des électrolytes solides) peut être réduite à quelques microns ou dizaines de microns seulement. Cela signifie que les batteries peuvent être plus petites, ce qui fait de la technologie des batteries à l'état solide une étape cruciale vers la miniaturisation des batteries.
Grande plasticité:
L'utilisation de céramiques comme électrolytes solides a l'avantage de présenter une plasticité surprenante lorsqu'elles sont minces, bien que les céramiques soient fragiles au contact quotidien. Même après des centaines de plis, la capacité, l'efficacité de la charge et de la décharge et la durée de vie de la batterie restent largement inchangées. Cela signifie que les piles à l'état solide peuvent être fabriquées dans n'importe quelle forme, ce qui offre une plus grande souplesse de conception pour les appareils électroniques, et peut conduire à des formes et des structures innovantes et stimuler l'innovation technologique en matière de produits.
Sécurité renforcée:
Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, l'utilisation du lithium métal comme matériau d'anode peut entraîner la formation de dendrites pendant la charge et la décharge. Les dendrites sont des structures en forme d'aiguille ou d'arbre formées par un dépôt inégal de lithium métal dans l'électrolyte. Ces dendrites peuvent se développer et pénétrer dans le séparateur, provoquant un contact direct entre les électrodes positives et négatives, ce qui entraîne des courts-circuits et éventuellement des incendies ou des explosions.
En outre, les électrolytes liquides organiques des batteries traditionnelles sont sujets à des réactions secondaires, à l'oxydation, à la production de gaz et à la combustion à haute température. Les matériaux solides permettent d'éviter complètement ces problèmes.
Meilleures performances à haute et basse température:
La plage de température de fonctionnement des batteries à l'état solide actuellement annoncées est comprise entre -20°C et 105°C. Les électrolytes des batteries lithium-ion utilisent des solvants organiques inflammables, ce qui présente des risques dans les environnements à haute température. Les électrolytes des batteries à semi-conducteurs n'utilisent pas de matériaux inflammables, ce qui permet de les utiliser à des températures plus élevées.
À basse température, la mobilité des ions dans les électrolytes liquides peut devenir lente, ce qui réduit les performances et la tension de la batterie. Les électrolytes solides ne gèlent pas comme les liquides, de sorte que les changements de résistance interne sont minimes, ce qui permet de maintenir de meilleures performances à basse température.
Comparaison des batteries au lithium-ion et des batteries à l'état solide
| Fonctionnalité | Batterie au lithium-ion | Batterie à l'état solide |
|---|---|---|
| Densité énergétique | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Type d'électrolyte | Électrolyte liquide ou en gel | Electrolyte solide |
| Sécurité | Risque de fuite, d'incendie et d'explosion | Moins de risques, plus de stabilité |
| Température de fonctionnement | De -20°C à 60°C | De -30°C à 100°C |
| Cycle de vie | 500-1000 cycles | 1000-3000 cycles |
| Coût | Relativement faible | Actuellement élevé |
| Complexité de la fabrication | Processus établis | Complexe, moins bien établi |
| Disponibilité commerciale | Largement disponible | Limitée, en cours de développement |
Trois voies principales pour les piles à l'état solide
QuantumScape
Historique de l'entreprise: QuantumScape a été fondée en 2010 et est dirigée par le président-directeur général, le Dr Jagdeep Singh. L'entreprise a son siège à San Jose, en Californie, et opère aux États-Unis et au Japon.
Technologie: QuantumScape se concentre sur la technologie des oxydes. Leur batterie à l'état solide est unique en ce sens qu'elle n'utilise pas de matériau anodique prédéfini. Lors de la charge, le lithium métal pur se transforme en ions lithium qui migrent de l'autre côté de la batterie pour former l'anode, une technique qu'ils appellent "anodeless" (sans anode). Cette technique est rendue possible par le matériau céramique breveté utilisé pour le séparateur de la batterie, qui permet aux ions lithium de se déplacer librement tout en empêchant le lithium métal de réagir avec le matériau de la cathode et de former des dendrites.
Avantages: QuantumScape a déposé plus de 200 brevets et applications. Leur séparateur céramique breveté à l'état solide, combiné à des électrolytes liquides organiques (catholyte), permet de personnaliser les matériaux du catholyte pour mieux répondre aux exigences de tension et de transmission de la cathode.
Derniers progrès: Le 27 mars 2024, QuantumScape a commencé à livrer les prototypes Alpha-2 aux clients.
Puissance solide
Historique de l'entreprise: John Van Scoter est PDG et président depuis juin 2023. Solid Power a des partenariats avec BMW et Ford et son siège social se trouve à Louisville, dans le Colorado.
Technologie: Solid Power se concentre sur la technologie du sulfure, alimentée par son électrolyte solide à base de sulfure. Le matériau de la cathode est le NMC, et l'entreprise dispose de deux technologies de batteries utilisant des matériaux d'anode différents : l'une à forte teneur en silicium et l'autre au lithium métal.
Avantages: L'élément clé de Solid Power est son électrolyte solide à base de sulfure, qui offre une combinaison optimale de conductivité, de facilité de fabrication et de performances de niveau batterie.
Derniers progrès: Le 16 janvier 2024, Solid Power a signé un nouvel accord avec SK pour renforcer leur partenariat.
Dyson (Sakti3)
Historique de l'entreprise (Dyson): Dyson est une entreprise technologique britannique spécialisée dans les produits ménagers, avec une équipe d'invention de 1200 scientifiques et ingénieurs. Dyson a lancé son programme interne de batteries il y a plus de dix ans.
Historique de l'entreprise (Sakti3): En 2015, Sakti3 a été racheté par Dyson Ltd. Sakti3 a été cofondée en 2007 par les docteurs Ann Marie Sastry, Chia-Wei Wang et Fabio Albano en tant que spin-out de l'Université du Michigan.
Technologie: Sakti3 utilise la technologie de dépôt de couches minces, généralement utilisée pour les cellules solaires photovoltaïques. Leurs batteries à l'état solide n'ont pas d'électrolytes liquides, mais utilisent une structure en "sandwich" pour assurer une transmission normale des ions.
Avantages: Dyson a révélé que les batteries à semi-conducteurs Sakti3 peuvent atteindre une densité énergétique ultra-élevée de 550 Wh/kg, soit près du double de la densité énergétique maximale de 300 Wh/kg des batteries ternaires au lithium.
Derniers progrès: Le 16 juin 2023, Dyson a annoncé son intention d'ouvrir à Singapour une usine de fabrication avancée de batteries de nouvelle génération.
Toyota
Historique de l'entreprise: Toyota travaille au développement de batteries à l'état solide depuis 2006, en se concentrant sur la technologie du sulfure. Elle détient plus de 1300 brevets sur les batteries à l'état solide et son siège se trouve à Tokyo, au Japon.
Technologie: Les informations divulguées par Toyota indiquent que l'accent est mis sur la technologie du sulfure.
Avantages: Toyota détient 1331 brevets liés aux batteries à l'état solide, couvrant la structure des batteries, les applications des matériaux et les processus de fabrication, ce qui en fait l'entreprise ayant le plus grand nombre de brevets liés au niveau mondial. L'entreprise prévoit de commencer la production commerciale entre 2026 et 2027.
Derniers progrès: Le 13 juin 2024, Toyota a annoncé une avancée technologique qui répond au défi de longue date de la durabilité des batteries.
Ampcera
Historique de l'entreprise: Ampcera a son siège dans la Silicon Valley, en Californie, et a été fondée en 2017. Le PDG est le Dr. Sumin Zhu.
Technologie: La technologie ASSB d'Ampcera comprend des matériaux à électrolyte solide à base de sulfure, protégés par IP, conçus pour une charge ultra-rapide. Ils utilisent des cathodes NMC à haute capacité et des anodes à base de silicium pour atteindre une densité énergétique cible de 400 Wh/kg.
Avantages: La technologie de batterie à l'état solide (ASSB) d'Ampcera a permis une charge rapide de 0 à 80% en 15 minutes à un taux de pointe de 4C.
Derniers progrès: Le 25 février 2024, la technologie de batterie à l'état solide d'Ampcera a dépassé l'objectif de charge rapide extrême du DOE des États-Unis, soit une charge de 80% en 15 minutes.
Samsung SDI
Historique de l'entreprise: Samsung SDI a son siège à Yongin, Gyeonggi-do, Corée du Sud, et son PDG est Yoon Ho Choi.
Technologie: L'entreprise se concentre sur les électrolytes sulfurés, en utilisant une anode composite Ag-C sans excès de lithium. La couche Ag-C régule efficacement le dépôt de lithium, ce qui permet d'obtenir une longue durée de vie électrochimique.
Avantages: La technologie de batterie à semi-conducteurs Super-Gap de Samsung SDI a une densité énergétique de 900 Wh/L, soit environ 40% de plus que les batteries lithium-ion actuelles. Elle revendique la capacité de charger une cellule prismatique de 8% à 80% en 9 minutes. La production de masse est prévue pour 2026.
Derniers progrès: En mars 2024, Samsung SDI a annoncé son intention de commencer la production de masse de batteries à semi-conducteurs pour les véhicules électriques et d'autres applications d'ici 2027.
Fabricants chinois
Les fabricants chinois de batteries sont plus discrets, mais on sait qu'ils ne sont pas les seuls à fabriquer des batteries. BYD et CATL développent des batteries à l'état solide. À l'échelle mondiale, on dénombre 20 798 demandes de brevets de technologies clés pour les piles à l'état solide, dont 7640 en Chine, soit 36,7%. Au cours des cinq dernières années, le taux de croissance annuel des demandes de brevets pour des batteries à l'état solide en Chine a été de 20,8%, soit le taux le plus élevé au monde.
Avis d'autres leaders de l'industrie sur les piles à l'état solide
Les défis des batteries à l'état solide
Coût élevé
Pour la voie du sulfure, le coût des électrolytes solides de sulfure dépasse actuellement $195 par kilogramme, beaucoup plus élevé que les $50 par kilogramme nécessaires à la commercialisation. Ce problème est dû au coût élevé du sulfure de lithium (pas moins de $650 par kilogramme) nécessaire pour synthétiser les électrolytes solides à base de sulfure. En outre, les matériaux à haute performance (tels que les céramiques de haute pureté) et les processus de fabrication complexes utilisés dans les batteries à l'état solide rendent leurs coûts considérablement plus élevés que ceux des batteries lithium-ion traditionnelles.
Difficultés de production
Si l'on utilise l'électrolyte solide à base de sulfure, la production est difficile en raison de la tendance de l'électrolyte à réagir avec l'humidité et l'oxygène. Cela nécessite un environnement de production hautement contrôlé, idéalement dans une chambre scellée remplie de gaz inertes.
Faible conductivité ionique
Dans les batteries à l'état solide, l'interface entre l'électrode et l'électrolyte passe d'un contact solide-liquide à un contact solide-solide. Par rapport aux électrolytes liquides, la surface de contact entre les solides est plus petite, ce qui se traduit par une résistance interfaciale plus élevée. En outre, les électrolytes solides contiennent de nombreux joints de grains, qui ont souvent une résistance plus élevée que le matériau en vrac, ce qui entrave le transport de l'ion lithium entre les électrodes et a un impact négatif sur les performances de charge rapide et la durée de vie du cycle.
Faible durée de vie
Le contact solide-solide dans les piles à l'état solide est plus rigide, ce qui le rend plus sensible aux changements de volume des matériaux d'électrode. Pendant le cycle, cela peut entraîner un mauvais contact entre les particules de l'électrode et entre les particules de l'électrode et l'électrolyteCe qui entraîne une accumulation de contraintes, une dégradation des performances électrochimiques, voire des fissures, qui peuvent rapidement diminuer la capacité et conduire à une mauvaise durée de vie du cycle.
Quand les piles à l'état solide seront-elles disponibles ?
En juillet 2024, il n'y aura pas de batteries à l'état solide réellement disponibles dans le commerce. Les constructeurs automobiles chinois qui prétendent utiliser des batteries à l'état solide utilisent en fait des batteries semi-solides à teneur réduite en liquide. À l'instar des batteries au lithium, qui ont mis des décennies à passer du stade de la création technologique à celui de l'utilisation généralisée, de nombreux experts pensent que les batteries à l'état solide ont besoin de périodes encore plus longues pour être validées et pour réaliser des percées technologiques.
Toutefois, l'attente n'est peut-être pas indéfinie. Le potentiel important des batteries à l'état solide a stimulé une concurrence intense, accélérant les progrès dans ce domaine. De nombreux fabricants ont fixé à 2027 l'année de commercialisation des batteries à l'état solide. Gardons un œil sur les développements à mesure que l'industrie se rapproche de cet objectif ambitieux.
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