Batteries solides : quand les « substituts » deviendront-ils des « piliers » ?

Piles à semi-conducteurssont en train de devenir la source d’énergie de nouvelle génération, mais les batteries hybrides solide-liquide seront probablement commercialisées en premier et serviront de pont crucial entre les cellules lithium-ion liquides d’aujourd’hui et les futurs systèmes entièrement solides.

Que sont les batteries à semi-conducteurs

Les batteries à semi-conducteurs remplacent les électrolytes liquides inflammables par des matériaux solides tout en permettant une densité énergétique plus élevée et de meilleures performances de sécurité. Leurs cathodes peuvent utiliser des matériaux à haute énergie tels que des composés à base de manganèse riches en lithium, tandis que l'anode peut combiner du nano-silicium et du graphite pour pousser la densité énergétique vers 300-450 Wh/kg.

Un électrolyte solide transporte des ions lithium sans risque de fuite et réduit considérablement la probabilité d'emballement thermique.

Les anodes de plus grande capacité et les cathodes haute tension offrent aux batteries à semi-conducteurs le potentiel d'une autonomie plus longue dans les véhicules électriques et d'une endurance améliorée dans les drones ou les systèmes de stockage d'énergie.

Hybride solide-liquide comme transition

L’article distingue les batteries au lithium liquides, hybrides solide-liquide et entièrement solides, soulignant que les conceptions hybrides constituent une étape de transition essentielle. Les batteries semi-solides, quasi-solides et « solides » sur le marché entrent en grande partie dans cette catégorie hybride, ne différant que par le rapport électrolyte liquide/électrolyte solide.

Les batteries hybrides solide-liquide contiennent encore de l’électrolyte liquide, ce qui améliore le contact avec les matériaux actifs et facilite la fabrication.

Les batteries entièrement solides contiennent uniquement de l'électrolyte solide, offrant une meilleure sécurité intrinsèque et une densité énergétique théorique plus élevée, mais confrontées aujourd'hui à des défis d'ingénierie plus graves.

Obstacles techniques à l'état solide

Bien que de nombreuses entreprises et instituts de recherche dans le monde investissent dans la technologie à semi-conducteurs, aucune cellule de puissance à semi-conducteurs de grande capacité n'a encore égalé les batteries lithium-ion liquide en termes de performances et de coût. La principale difficulté réside à l’interface solide-solide, où les matériaux électrolytiques rigides rendent difficile le maintien d’un contact intime avec les électrodes pendant les cycles et les changements de volume.

Les itinéraires actuels incluent les batteries à l’état solide polymère, à couche mince, au sulfure et à l’oxyde, chacune présentant des avantages et des limites distincts.

Par exemple, les cellules polymères à l'état solide ont des difficultés à température ambiante et avec des cathodes haute tension, tandis que les systèmes au sulfure sont sensibles à l'air et nécessitent des conditions de fabrication exigeantes.

Stratégie de solidification in situ

Pour surmonter les problèmes d’interface tout en tirant parti de l’infrastructure lithium-ion existante, les chercheurs proposent une approche de solidification in situ des électrolytes hybrides solide-liquide. Lors de l'assemblage des cellules, un précurseur liquide assure un bon mouillage et un bon contact ; plus tard, des réactions chimiques ou électrochimiques transforment tout ou partie de ce liquide en électrolyte solide à l'intérieur de la cellule.

Cette méthode améliore le contact électrode-électrolyte, supprime la croissance des dendrites de lithium et équilibre la sécurité, la haute tension et les performances de charge rapide.

Il peut également réutiliser une grande partie du processus actuel de production de lithium-ion liquide, aidant ainsi les fabricants à se développer plus rapidement et à réduire les coûts.

Orientations de développement futures

Les experts s’attendent à ce qu’il faudra environ cinq ans supplémentaires aux batteries au lithium entièrement solides avant une véritable commercialisation à grande échelle, de sorte que les batteries hybrides solide-liquide restent une voie réaliste à court terme. Pour accélérer l’industrialisation, l’article souligne la nécessité de progrès coordonnés en matière de matériaux, de conception de cellules, de fabrication et de normes.

Les priorités comprennent : le développement d'électrolytes solides présentant une conductivité ionique, une stabilité et une transformabilité équilibrées ; faire correspondre des électrodes à haute énergie telles que des cathodes à haute teneur en nickel et des anodes en silicium-carbone ou en lithium métallique ; et intégrer la simulation numérique à la fabrication intelligente.

L'industrie est encouragée à construire des chaînes d'approvisionnement robustes pour les matériaux clés, à investir dans des équipements automatisés, à affiner les systèmes de test et d'évaluation et à évoluer progressivement d'un système hybride solide-liquide. batteries lithium-ionvers des batteries au lithium métal entièrement solides.