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.
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.
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.
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.
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.
Voici un aperçu de l'état actuel du développement des batteries solides :
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.
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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