Les batteries entièrement solides pourraient augmenter la capacité, la sécurité et la longévité de la batterie
Le constructeur automobile italien Automobili Estrema développe le Fulminea, qui comportera quatre moteurs électriques d’une puissance de pointe totale de 1,5 mégawatt (2 040 chevaux).
Les batteries à semi-conducteurs promettent d’être plus sûres et plus durables que les batteries conventionnelles. Maintenant, les entreprises suggèrent qu’elles pourraient commercialiser des batteries à semi-conducteurs au cours des cinq prochaines années pour une utilisation dans les « hypercars » électriques et les réseaux électriques.
Les batteries conventionnelles fournissent de l’électricité via des réactions chimiques entre deux électrodes, l’anode et la cathode, qui interagissent généralement via des électrolytes liquides ou gélifiés. Les batteries à semi-conducteurs utilisent à la place des électrolytes solides tels que la céramique.
Les batteries à semi-conducteurs peuvent fournir plus d’énergie que les batteries conventionnelles pour la même quantité de poids ou d’espace. « Les batteries à semi-conducteurs seront d’un énorme avantage pour les véhicules électriques, où l’autonomie est un paramètre clé », a déclaré Noshin Omar, PDG et fondateur d’ Avesta Battery and Energy Engineering (ABEE) à Bruxelles. « Les batteries à semi-conducteurs sont également beaucoup plus sûres que les batteries lithium-ion conventionnelles, qui utilisent des électrolytes liquides organiques inflammables et volatils. »
Aujourd’hui, ABEE contribue au développement d’une « hypercar » électrique homologuée pour la rue , la Fulminea , qui devrait être commercialisée au second semestre 2023. Elle comportera une batterie hybride combinant les cellules à semi-conducteurs d’ABEE avec des ultra-condensateurs.
« Actuellement, nos batteries à semi-conducteurs ont une densité énergétique d’environ 400 wattheures par kilogramme, soit environ le double de la densité énergétique typique des batteries lithium-ion commerciales sur le marché », a déclaré Noshin Omar. « D’ici 2025, nous visons une densité énergétique de 450 wattheures par kilogramme.
« Le lithium métallique a généralement été considéré comme le Saint Graal des anodes de batterie. La découverte du silicium ouvre de larges possibilités pour adopter des alternatives au lithium métallique. »
Le constructeur automobile italien Automobili Estrema développe la Fulminea, qui comportera quatre moteurs électriques d’une puissance de pointe totale de 1,5 mégawatt (2 040 chevaux), permettant à la voiture d’accélérer de 0 à 320 km/h en moins de 10 secondes. Sa batterie de 100 kilowattheures lui donnera une autonomie attendue d’environ 520 kilomètres
ABEE fournit les batteries, qui utilisent des anodes métalliques au lithium, des cathodes riches en nickel et un électrolyte sulfuré, tandis que le spécialiste des batteries Imecar Elektronik aidera à emballer les cellules. La batterie aura un poids prévu inférieur à 300 kilogrammes et Fulminea aura un poids à vide total prévu de 1 500 kg.
« Nous visons maintenant l’évolutivité de notre technologie, en optimisant le processus de production, la durée de vie de la batterie et le taux de charge », déclare Noshin Omar.
En outre, des scientifiques de l’Université de Californie à San Diego, en partenariat avec le géant de l’électronique LG, ont développé une nouvelle batterie au silicium entièrement solide dont les premiers tests montrent qu’elle est sûre, durable et à forte densité énergétique.
« Avec les tendances actuelles, nous visons à produire notre premier produit commercialement pertinent d’ici 2025 et à atteindre une pénétration étendue du marché d’ici 2030 », déclare le nano-ingénieur Zheng Chen de l’Université de Californie à San Diego .
Les batteries à semi-conducteurs à haute densité d’énergie ont généralement utilisé du lithium métallique pour leurs anodes. Cependant, ces composants imposent des restrictions sur les taux de charge de la batterie et nécessitent des températures élevées pendant la charge, généralement 60 degrés C ou plus. Les anodes en silicium peuvent surmonter ces limitations, permettant des taux de charge beaucoup plus rapides à des températures ambiantes à basses tout en maintenant des densités d’énergie élevées.
« Le lithium métallique a généralement été considéré comme le Saint Graal des anodes de batterie. La découverte du silicium ouvre de nombreuses possibilités pour adopter des alternatives au lithium métallique », souligne Zheng Chen. « De plus, le silicium est un matériau très abondant, peu coûteux et sûr. C’est une approche plus respectueuse de l’environnement.
L’image n°1 est une forme carrée. La couche supérieure a des cercles bleus étiquetés Cathode. Ensuite, une couche de cercles jaunes est étiquetée Électrolyte solide. Ci-dessous se trouve une couche grisâtre, étiquetée Micro-Silicon Anode. L’image n° 2 est un encart, la zone jaune supérieure est étiquetée Interface Formation. En dessous, le gris est étiqueté Silicium.
1) La batterie entièrement à semi-conducteurs se compose d’une couche composite cathodique, d’une couche d’électrolyte solide en sulfure et d’une anode en micro-silicium sans carbone.
2) Avant la charge, des particules de silicium microscopiques discrètes constituent l’anode dense en énergie. Pendant la charge de la batterie, les ions lithium positifs se déplacent de la cathode vers l’anode, et une interface 2D stable est formée.
L’image n° 3 est le même encart mais le haut est étiqueté Alloy Reaction. Ci-dessous, deux flèches rouges pointent et sont étiquetées Li0Si. #4 est l’encart avec le haut intitulé Expansion & Densification. La zone inférieure est maintenant entièrement gris foncé et étiquetée Li-Si Alloy. UNIVERSITÉ DE CALIFORNIE, SAN DIEGO
3) Au fur et à mesure que davantage d’ions lithium pénètrent dans l’anode, il réagit avec le micro-silicium pour former des particules d’alliage lithium-silicium (Li-Si) interconnectées. La réaction continue de se propager dans toute l’électrode.
4) La réaction provoque l’expansion et la densification des particules de micro-silicium, formant une électrode en alliage Li-Si dense. Les propriétés mécaniques de l’alliage Li-Si et de l’électrolyte solide ont un rôle crucial dans le maintien de l’intégrité et du contact le long du plan interfacial 2D.
Les scientifiques et les fabricants de batteries ont étudié le silicium pendant des décennies en tant que matériau à forte densité énergétique à mélanger ou à remplacer complètement les anodes en graphite présentes dans les batteries lithium-ion conventionnelles. En théorie, le silicium offre environ 10 fois la densité énergétique du graphite.
Cependant, les tentatives précédentes d’ajouter du silicium aux anodes des batteries lithium-ion souffrent de problèmes de performances – en particulier, le nombre de fois où ces batteries peuvent être déchargées et rechargées tout en maintenant les performances n’est pas assez élevé pour un usage commercial. Cela est principalement dû à la façon dont les anodes de silicium pourraient se dégrader lors de l’interaction avec les électrolytes liquides avec lesquels elles sont associées, ainsi qu’à la façon dont les particules de silicium peuvent considérablement se dilater et se contracter en taille lorsqu’elles se rechargent et se déchargent.
La nouvelle batterie a retiré l’électrolyte liquide, au lieu d’utiliser des électrolytes solides à base de sulfure. Ces électrolytes étaient souvent considérés comme très instables, mais cela était dû à des recherches sur les systèmes liquides qui ne prenaient pas en compte la stabilité trouvée dans les versions solides. La nouvelle étude révèle que cet électrolyte est extrêmement stable dans les batteries avec des anodes tout en silicium.
« La stratégie à l’état solide proposée surmonte les défis dominants associés aux systèmes liquides conventionnels », a déclaré Zheng Chen.
Les scientifiques ont également retiré tout le carbone et les liants des anodes. Cela a considérablement réduit le contact et les réactions secondaires indésirables qu’ils ont faites avec l’électrolyte solide, évitant les pertes d’énergie continues généralement observées avec les électrolytes liquides. De plus, ils ont utilisé des particules de silicium à l’échelle du micron, qui sont moins chères que les particules de silicium à l’échelle du nanomètre souvent utilisées dans de tels travaux.
Lors des tests, un prototype de laboratoire a fourni 500 cycles de charge et de décharge avec une rétention de capacité de 80 % à température ambiante. En revanche, les études précédentes avec des anodes en silicium n’atteignaient généralement qu’environ 100 cycles stables.
Les nouvelles batteries promettent une densité énergétique élevée en termes d’espace. À ce titre, les chercheurs suggèrent que ces dispositifs pourraient finalement trouver une utilisation dans les applications de stockage de réseau.
« La batterie tout solide à base de silicium répond aux problèmes de coût et de sécurité associés aux batteries conventionnelles pour de telles applications », a déclaré Chen. « En cas de succès, chaque foyer sera équipé de systèmes de stockage d’énergie alimentés par cette innovation qui réduisent leurs factures de services publics, fournissent une alimentation de secours et soutiennent la transition énergétique mondiale. »
En revanche, les véhicules électriques nécessitent généralement des batteries avec une densité énergétique élevée en termes de poids. Pourtant, « nous n’excluons pas les applications automobiles », dit Zheng Chen.
Les scientifiques ont détaillé leurs conclusions dans le numéro de la revue 24 septembre Sciences . L’université et LG Energy Solution ont déposé conjointement une demande de brevet sur ce travail, et les chercheurs universitaires ont lancé une startup, Unigrid Battery , qui a licencié cette technologie.
https://spectrum.ieee.org/solid-state-battery
https://spectrum.ieee.org/3d-printing-solid-state-battery-lithium-ion
https://www.automobiliestrema.it/fulminea/
https://www.automobiliestrema.it/
https://zhengchen.eng.ucsd.edu/
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg7217
