Introduction
Une batterie à l’état solide est une batterie qui utilise des électrodes solides et un électrolyte solide. Les batteries à l’état solide ont généralement une faible densité de puissance et une densité d’énergie élevée, ce qui est une batterie idéale pour les véhicules électriques.
En 2030, les batteries lithium-ion ne seront peut-être plus le courant dominant des batteries de véhicules électriques, mais elles ont toujours leur place dans certains composants électroniques. Selon les estimations, le marché chinois des batteries à l’état solide devrait atteindre 3 milliards de CNY en 2025 et 20 milliards de CNY en 2030.
Cours de développement
Depuis que Sony a introduit les batteries lithium-ion contenant des électrolytes liquides dans les appareils électroniques en 1991, les batteries au lithium liquide sont devenues l’une des voies techniques les plus matures et les plus utilisées.
En 2010, Toyota a lancé une batterie à l’état solide avec une autonomie de plus de 1000 km. Des efforts tels que QuantumScape et Sakti3 tentent également de remplacer les batteries au lithium liquide traditionnelles par des batteries à l’état solide.
La société canadienne Avestor a également essayé de développer des batteries au lithium à l’état solide, et a finalement déposé le bilan en 2006. Avestor utilise un séparateur de polymère pour remplacer l’électrolyte liquide de la batterie, mais n’a pas résolu le problème de sécurité, et il y a eu plusieurs incendies ou explosions de batteries en Amérique du Nord.
À la mi-mars 2015, James Dyson, l’inventeur de l’aspirateur et le fondateur de la société britannique Dyson, a investi ses premiers 15 millions de dollars dans la société de batteries à l’état solide Sakti3, une start-up de batteries fondée en 2007.
En janvier 2018, une nouvelle technologie de batterie révolutionnaire semble enfin être proche de la réalité. Si prévu, la nouvelle technologie pourrait tenir les accros de la téléphonie mobile en haleine pendant des jours et augmenter l’autonomie des véhicules électriques à plus de 800 kilomètres environ. La nouvelle technologie, connue sous le nom de technologie des batteries à semi-conducteurs, remplace les électrolytes liquides des batteries actuelles par des matériaux céramiques.
En janvier 2018, elle a formé une alliance avec BMW, qui s’est engagée à fournir une forme de composant de batterie à chaque produit qu’elle fabrique au cours des 10 prochaines années.
Le 9 janvier 2021, Weilai Automobile a lancé une nouvelle batterie à semi-conducteurs de 150 kWh. Le véhicule électrique Weilai équipé de cette technologie devrait être livré au quatrième trimestre 2022, et l’autonomie devrait dépasser les 1 000 kilomètres.
Le 22 janvier 2022, le véhicule de démonstration Dongfeng E70 équipé de batteries à l’état solide Ganfeng a été lancé à Xinyu, et le premier lot de 50 véhicules de démonstration à l’état solide a été officiellement lancé sur le marché. La première ligne de production du nouveau projet de batterie au lithium, d’une production annuelle de 10 GWh dans la deuxième phase de la batterie au lithium de Ganfeng, a également été officiellement mise en service le même jour.
Principe
La batterie au lithium liquide traditionnelle est également appelée « pile de chaise berçante » par les scientifiques. Les deux extrémités de la chaise berçante sont les pôles positif et négatif de la batterie, et l’électrolyte (liquide) se trouve au milieu. Le lithium-ion est comme un excellent athlète, courant d’avant en arrière aux deux extrémités de la chaise berçante. Pendant le mouvement du lithium-ion de l’électrode positive à l’électrode négative, puis à l’électrode positive, le processus de charge et de décharge de la batterie est terminé.
Le principe d’une batterie à l’état solide est le même, sauf que son électrolyte est solide, et sa densité et sa structure permettent à plus d’ions chargés de s’accumuler à une extrémité, de conduire un courant plus important et d’augmenter la capacité de la batterie. Par conséquent, pour la même quantité de puissance, le volume des batteries à l’état solide deviendra plus petit. Non seulement que, puisqu’il n’y a pas d’électrolyte liquide dans les batteries à l’état solide, le stockage deviendra plus facile, lorsqu’il est utilisé sur de gros équipements tels que les automobiles, il n’est pas nécessaire d’ajouter des tuyaux de refroidissement supplémentaires, des commandes électroniques, etc., ce qui permet non seulement de réduire les coûts, mais également de réduire efficacement le poids.
Avantages
- Lumière – haute densité d’énergie. Après avoir utilisé des électrolytes à l’état solide, le système de matériaux applicable des batteries lithium-ion changera également. Le point central est qu’il n’est pas nécessaire d’utiliser des électrodes négatives en graphite intercalées au lithium, mais d’utiliser directement du lithium métallique comme électrodes négatives, ce qui peut réduire considérablement la quantité de matériaux d’électrodes négatives, de sorte que la densité énergétique de l’ensemble de la batterie peut être considérablement améliorée.
- Mince – de petite taille. Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, des séparateurs et des électrolytes sont nécessaires, qui représentent ensemble près de 40 % du volume et 25 % de la masse de la batterie. Et s’ils sont remplacés par des électrolytes solides (principalement des matériaux céramiques organiques et inorganiques), la distance entre les électrodes positives et négatives (traditionnellement remplies par un électrolyte à membrane, maintenant remplies par un électrolyte solide) peut être raccourcie à seulement quelques microns à une douzaine de microns, de sorte que l’épaisseur de la batterie peut être considérablement réduite, de sorte que la technologie des batteries à l’état solide est le seul moyen de miniaturisation et d’amincissement des batteries.
- La perspective de la flexibilité. Même les matériaux céramiques cassants sont souvent pliables à des épaisseurs inférieures au millimètre, et le matériau devient flexible. En conséquence, la flexibilité des batteries à l’état solide sera également considérablement améliorée après avoir été de plus en plus minces. En utilisant des matériaux d’encapsulation appropriés (et non un boîtier rigide), la batterie fabriquée peut résister à des centaines ou des milliers de courbures sans dégrader considérablement ses performances.
- Sécurité. Les dangers suivants peuvent survenir dans les batteries au lithium traditionnelles :
(1) Des dendrites de lithium peuvent apparaître lors du travail sous un courant élevé, ce qui perforera le diaphragme et causera des dommages aux courts-circuits
(2) L’électrolyte est un liquide organique, qui a tendance à intensifier les réactions secondaires, la décomposition oxydative, la génération de gaz et la combustion à haute température.
En utilisant la technologie des batteries à l’état solide, les deux problèmes ci-dessus peuvent être résolus directement
Dispute
« Les batteries à l’état solide sont peut-être l’une des orientations futures de la technologie des batteries, mais peut-être pas la meilleure. » Un technicien d’une nouvelle entreprise de production d’énergie a déclaré : « Y compris les piles à combustible, les supercondensateurs, les batteries aluminium-air et les batteries au magnésium, il y a beaucoup de place pour le développement dans le concept, et en fin de compte, cela dépend de la voie qui se développe le plus rapidement et qui est la plus terre-à-terre. » Ce que l’on appelle le terre-à-terre signifie qu’un équilibre parfait peut être atteint en termes d’échelle de commercialisation et de coût. Tout d’abord, les matériaux utilisés ne doivent pas être coûteux et rares. Deuxièmement, il est possible de réaliser une application à grande échelle dans diverses industries et domaines.
Peut-être que l’endroit le plus difficile aujourd’hui est le prix, le coût d’une batterie au lithium liquide est d’environ 200 à 300 $/kWh. Si vous utilisez la technologie existante pour fabriquer une batterie à l’état solide qui est suffisante pour alimenter un smartphone, le coût atteindra 15 000 $, et le coût d’une batterie à l’état solide qui est suffisante pour alimenter une voiture atteindra 90 millions de dollars. Sastry a déclaré qu’une raison importante du coût de production élevé des batteries à l’état solide est la faible efficacité de la production. Selon le plan de Sastry, Sakti3 réduira éventuellement le coût de la batterie à 100 $/kWh, mais elle n’a pas donné le temps final.
À en juger par l’époque où la théorie a été proposée, les batteries à l’état solide ne sont pas un concept nouveau, mais au fil des ans, les progrès de la recherche et du développement n’ont pas été aussi rapides qu’on l’imaginait. Un technicien de la société sud-coréenne Samsung estime que même si Sakti3 peut enfin réduire les coûts, il faudra beaucoup de temps pour que la batterie passe du laboratoire à la production finale en série. Tout comme les batteries au lithium liquide, dans les années 1970, les concepts associés et les certifications expérimentales progressaient main dans la main, mais l’utilisation réelle à grande échelle était déjà à la fin du 20e siècle.
