Les batteries à l’état solide : ce qu’elles sont, les défis à relever et leur arrivée sur le marché

Tant que nous n’aurons pas de batteries à l’état solide, les voitures électriques auront un problème. Malgré les progrès des batteries lithium-ion, qui sont les plus utilisées en raison de leur bonne capacité énergétique, celle-ci n’est toujours pas aussi bonne que celle que l’on peut trouver dans un réservoir d’essence, à moins d’ajouter un poids énorme au véhicule.

Quelques exemples : les batteries de la Mercedes EQB pèsent 469 kg, soit presque 10 fois plus qu’un réservoir plein, pour une autonomie de 469 km. Cela représente un kilogramme pour chaque kilomètre que vous voulez parcourir. Si l’on recherche les performances, le rapport se dégrade : les 630 kg revendiqués par les batteries de la Porsche Taycan représentent au mieux 444 km avant de devoir la recharger.

En outre, les batteries au lithium-ion ont tendance à se dégrader au fur et à mesure que vous les chargez. Ce sont là quelques-uns des problèmes que les piles à semi-conducteurs peuvent résoudre.

Qu’est-ce qu’une batterie à l’état solide ?

Comme les batteries lithium-ion, les batteries à semi-conducteurs ont une anode et une cathode, qui sont des électrodes métalliques (ou un matériau composite) immergées dans un liquide conducteur, l’électrolyte. C’est ce que nous appelons communément une cellule, et les cellules forment ensemble une batterie de capacité variable.

Dans une batterie lithium-ion classique, l’électrolyte est un sel de lithium. C’est elle qui fournit les ions nécessaires à la réaction chimique réversible entre la cathode et l’anode. Dans une batterie à l’état solide, l’électrolyte est un matériau solide.

Le développement de ce type de batterie a été mené par le lauréat du prix Nobel de chimie John B. Goodenough de l’université d’Austin au Texas, qui utilise un électrolyte de verre dans ses recherches, bien que d’autres chercheurs utilisent d’autres matériaux.

5 avantages des piles à semi-conducteurs

Les batteries à semi-conducteurs permettraient d’effacer deux limites des batteries lithium-ion classiques : leur autonomie limitée et leur temps de recharge trop long.

• Capacité plus élevée : le fait de disposer d’un électrolyte solide permet d’utiliser une anode en métal alcalin sur le côté négatif. Cela augmente la densité de charge de la batterie. A taille et poids égaux, on stocke beaucoup plus d’énergie. Combien ? Selon les tests de John Goodenough, jusqu’à trois fois plus.
• Des temps de charge plus courts : on parle de temps de charge inférieurs à une heure pour recharger complètement la batterie. Bien que les capacités et la puissance de charge n’aient pas été rendues publiques, nous pouvons estimer les temps de charge actuels à un tiers, très faibles au début et à la fin de la charge pour préserver le bon état de la batterie,
• Fiabilité accrue : le verre permet à la batterie de fonctionner jusqu’à des températures ambiantes de -20°C (avec les batteries actuelles, les performances diminuent fortement à basse température). De plus, lorsque les batteries lithium-ion effectuent des cycles de charge, le liquide se solidifie en fonction des changements de température, passant entre le séparateur de l’anode et de la cathode, ce qui entraîne une perte de performance.
• Sécurité et durée de vie accrues : lorsque le liquide de l’électrolyte se solidifie, il forme des dendrites (cavités) qui brisent le séparateur et la batterie perd ses performances. L’électrolyte solide doit agir comme un bouclier contre l’apparition de ces dendrites qui, dans les batteries classiques, peuvent provoquer une surchauffe, voire des courts-circuits avec le temps. De plus, en cas d’accident, une batterie à semi-conducteurs ne prendrait pas feu, ce qui peut arriver dans le cas des batteries lithium-ion, obligeant les constructeurs à renforcer soigneusement cette zone (ce qui ajoute du poids au véhicule). Dans les batteries à l’état solide, l’électrolyte n’est pas inflammable.
• Réduction de l’impact sur le climat : des recherches menées par Transport & Environment indiquent que cette technologie pourrait réduire l’empreinte carbone d’environ 39 % par rapport au FFP (ferrophosphate de lithium) ou au NMC-811 (nickel manganèse cobalt). Elles peuvent nécessiter plus de lithium (environ 35 %) qu’une batterie lithium-ion classique, mais elles utilisent beaucoup moins de graphite et de cobalt. Cette utilisation réduite de matériaux (associée à de nouvelles méthodes d’exploitation minière à faible impact) permettrait de réduire les émissions nécessaires à la fabrication des voitures électriques.
• Plus économique : dans le droit fil de ce qui précède, selon Bloomberg NEF, les batteries à semi-conducteurs pourraient coûter environ 40 % des batteries actuelles. Ce chiffre doit être considéré avec prudence car les calculs ont été effectués avant la pandémie.

Types de batteries à l’état solide

Il existe actuellement deux grands types de batteries à l’état solide, sans qu’il y ait d’avantage concurrentiel clair pour chacun d’eux, l’un excellant dans un domaine et l’autre dans l’autre :

• Batteries à électrolyte solide à base de soufre : elles présentent des performances exceptionnelles, mais sont moins sûres et compliquées à produire à grande échelle.
• Batteries à électrolyte solide polymère : plus faciles à produire, elles sont stables mais leurs performances ne sont pas aussi spectaculaires.

Pour l’instant, la complication réside dans la barrière entre le matériau de l’électrode et les électrolytes. Les scientifiques ont du mal à rendre rapide le passage des ions entre les électrodes. D’où la recherche de nouveaux matériaux dotés d’une conductivité ionique similaire à celle d’un électrolyte liquide – et qu’il est possible de produire à grande échelle. Cela nous amène à une solution possible :

• Batteries à électrolytes solides hybrides : elles combinent un électrolyte inorganique et organique, comme l’a étudié l’université de technologie de Graz. Ils associent des électrolytes céramiques, qui offrent une conductivité et une stabilité thermodynamique élevées, et des électrolytes polymères, qui sont faciles à traiter, afin de combiner le meilleur des deux matériaux.

À quand les batteries à l’état solide ?

Les progrès des batteries à l’état solide sont remarquables, mais jusqu’à présent, ils n’ont été réalisés qu’en laboratoire. Il reste encore quelques obstacles techniques à surmonter, comme les températures élevées nécessaires à leur bon fonctionnement ou la durabilité de l’électrolyte solide.

Il y a aussi un problème d’évolutivité : être capable d’industrialiser le processus de fabrication pour les produire à grande échelle. Mais les constructeurs automobiles travaillent dur pour les développer :

• Nio : Le fabricant chinois a osé dire qu’il serait en mesure de proposer cette technologie d’ici fin 2022, avec une capacité de 150 kWh, en collaboration avec WeLion, qui possède une usine à Zibo, dans la province chinoise du Shandong.
• Ganfeng Lithium : Premier producteur mondial de lithium, Ganfeng Lithium a déjà commencé à travailler sur son usine de batteries à l’état solide, qui sera la première au monde. Elle produira 10 GWh par an et comprendra un centre de recherche et de développement.
• Toyota : L’une des marques qui a fait le plus de progrès, en fait, ils prévoyaient de présenter un prototype avec des batteries à l’état solide aux Jeux olympiques de Tokyo 2020. Ils ont une date ferme pour son arrivée sur le marché dans une voiture produite en série : 2025. Toutefois, il semble qu’il ne s’agira pas d’une voiture électrique, mais d’une hybride, car le coût sera moindre. Elle travaille sur cette technologie avec Panasonic dans le cadre d’une coentreprise et a déjà présenté un prototype, le Toyota LQ Concept.
• Stellantis : On parle de 2026 comme année d’arrivée des voitures équipées de batteries à l’état solide. Ils se sont associés à Mercedes-Benz chez Factorial, qui annonce une densité énergétique volumétrique de 750 770 Wh/litre, avec un objectif de 1 000 Wh/litre. Une voiture comme la Mercedes EQS affiche 550 Wh/litre, pour comparaison.
• Renault-Nissan-Mitubishi : L’usine Nissan de Kanagawa (Yokohama, Japon) dispose d’un petit prototype de production de cellules de batteries solides laminées (ASSB). Leur objectif est d’atteindre le marché en 2028, comme ils l’ont annoncé lorsqu’ils ont dévoilé leur plan à long terme, Nissan Ambition 2030, à l’occasion de la conférence de presse de la Commission européenne.
• Volkswagen : Elle a investi 300 millions d’euros dans la startup QuantumScape, qui effectue des recherches sur cette technologie, pour devenir l’un de ses principaux actionnaires. Ils ont réalisé le prototype d’une batterie à 10 couches, qui se charge à 80 % en 15 minutes et conserve jusqu’à 80 % de sa capacité après 800 cycles de charge/décharge.
• BMW et Ford : ont investi dans Solid Power, une entreprise spécialisée dans ce type de batterie. Ils disposent d’une ligne de production pilote dans le Colorado (États-Unis) et les premières batteries ont été livrées aux constructeurs en fin 2022 pour être testées dans des voitures électriques. Le constructeur bavarois a déjà promis de lancer un véhicule de démonstration avec des batteries à l’état solide d’ici 2025.
• Hyundai-Kia : l’entreprise coréenne a assuré qu’une voiture alimentée par des batteries à l’état solide n’est pas attendue avant au moins 2030.

Bien que les dates soient relativement proches, à moins d’une décennie, cela ne signifie pas qu’elles s’imposeront dès leur arrivée sur le marché. Selon la Faraday Institution, un centre de recherche britannique de premier plan sur les batteries, les batteries à semi-conducteurs ne représenteront que 4 % du marché des voitures électriques d’ici 2030. Et une décennie plus tard, en 2040, nous les verrons dans un véhicule sur trois. Les batteries lithium-ion conventionnelles ont encore du chemin à parcourir.

Toutefois, même si la technologie et la recherche permettent d’obtenir des batteries à l’état solide présentant une énorme densité d’énergie dans un espace réduit, sûres et rapides à recharger, il sera essentiel de disposer d’un vaste réseau de recharge, bien réparti dans tout le pays et doté d’une puissante capacité énergétique pour réduire le temps passé avec la voiture branchée.