Pooja Vadhva 
Pranav Nagaveykar Pooja : Avec une batterie lithium-ion conventionnelle, vous avez deux électrodes - une anode et une cathode, et lorsque vous déchargez la cellule, les ions lithium se déplacent de l'anode et s'intercalent dans la cathode. Les électrodes remplies d'un électrolyte liquide et d'un séparateur polymère sont utilisées pour éviter les courts-circuits de la cellule. Les électrodes sont connectées à un circuit externe à travers lequel les électrons circulent et lorsque vous déchargez la cellule, un courant est produit, qui est utilisé pour alimenter un véhicule électrique. Dans une batterie à l'état solide, le principe est le même mais vous supprimez le séparateur et l'électrolyte liquide, et à la place vous avez un électrolyte solide entre les deux électrodes. Un électrolyte solide peut permettre une anode au lithium métallique qui a dix fois la capacité théorique d'une anode en graphite, doublant la densité d'énergie de la cellule. Le lithium métal est très réactif et peut former des dendrites pendant le cycle qui court-circuitent la cellule. Un électrolyte solide peut empêcher mécaniquement la formation de dendrites et augmenter la sécurité de la cellule, car vous n'avez pas d'électrolyte liquide inflammable.
Pranav : Les batteries à semi-conducteurs sont essentiellement des batteries lithium-ion sans électrolyte liquide. L'électrolyte liquide est remplacé par un électrolyte solide, c'est pourquoi ces batteries sont appelées batteries à semi-conducteurs. Beaucoup de gens ne comprennent pas que les batteries à semi-conducteurs sont des types de batteries totalement différents des batteries lithium-ion existantes. Ce n'est pas le cas. C'est juste que l'électrolyte liquide est maintenant remplacé par un solide.
Batterie Li-Ion vs toutes les batteries à semi-conducteurs Pranav : Comme nous le savons tous, tout le monde dans l'industrie des batteries travaille en permanence pour surmonter certains des principaux défis de la transition des véhicules électriques, comme obtenir plus de densité d'énergie, moins de temps de charge, un meilleur cycle de vie pour n'en nommer que quelques-uns. Avec les cathodes nouvellement développées, un pourcentage plus élevé de nickel, des anodes intégrées au silicium, il y a eu une grande amélioration de la densité d'énergie de ces cellules, mais en même temps, elles sont également moins stables thermiquement. De plus, l'amélioration relative des temps de charge est moindre. Il semble qu'avec les cellules lithium-ion conventionnelles, nous approchons d'un niveau de saturation par rapport à tous ces paramètres. Pour obtenir une densité d'énergie encore plus élevée, une meilleure stabilité thermique et des temps de charge réduits, nous devons passer à un nouveau type de technologie et je pense que c'est là que les batteries à semi-conducteurs entrent en jeu.
Pooja : Quelques points intéressants là-bas. Un autre domaine auquel je pense que les gens ne tiennent pas compte est l'industrie aéronautique, qui met de plus en plus l'accent sur la durabilité, et il y a un intérêt à utiliser des batteries à semi-conducteurs pour alimenter partiellement ou entièrement les systèmes de propulsion électrique des avions, comme lors du décollage ou de l'atterrissage. La NASA a également annoncé qu'elle allait fabriquer des batteries à semi-conducteurs pour une recharge et une sécurité améliorées, c'est donc très prometteur.
Pranav : Le principe de fonctionnement de base des batteries à semi-conducteurs est le même que celui des batteries lithium-ion conventionnelles. Dans les batteries lithium-ion conventionnelles, le lithium dans la cathode se divise en lithium-ion et électron. L'électron voyage à travers le réseau externe tandis que l'ion lithium nage à travers l'électrolyte liquide pour atteindre l'anode. Pour les batteries à semi-conducteurs, c'est plus ou moins la même chose. La question est :comment déplace-t-on les ions de l'anode à la cathode et vice versa ? Fondamentalement, nous utilisons quelque chose appelé diffusion - nous déplaçons les positions lithium-ion dans le réseau d'électrolyte solide, nous créons des lacunes dans la structure de réseau actuelle afin que les ions lithium puissent "sauter" d'une position de réseau à une autre, se déplaçant de l'anode à cathodique et inversement. C'est la seule différence dans la partie active de la batterie.
Pooja : Le retrait de l'électrolyte liquide et du séparateur rend la batterie à semi-conducteurs plus compacte et, avec l'utilisation d'une anode au lithium métallique, augmente la densité d'énergie volumétrique. Les ions lithium espérant à travers le réseau d'électrolyte solide sont un processus relativement rapide, mais vous rencontrez également des problèmes d'interface avec les batteries à semi-conducteurs, car vous avez une interface solide à l'anode et à la cathode, et cela peut être très résistif, c'est donc quelque chose à considérer et est un domaine de recherche actif pour de nombreuses industries qui tentent de résoudre ce problème.
Pooja : Comme une batterie lithium-ion, la cathode contiendra toujours du cobalt, du manganèse et du nickel; nous ne remplaçons que l'électrolyte liquide.
Pranav : Oui, la cathode sera la même. Il y a beaucoup de confusion sur le fait que les batteries à semi-conducteurs ne contiennent pas de cobalt, de manganèse et de nickel, mais ce n'est pas nécessairement vrai. Il est possible d'utiliser différentes cathodes, mais les cathodes actuelles seront toujours utilisées même avec des batteries à semi-conducteurs.
Pooja : L'un des avantages des électrolytes solides est que vous pouvez utiliser des cathodes à haute tension, qui ont une teneur en nickel plus élevée et une teneur en cobalt plus faible, et c'est évidemment un avantage en termes de réduction du cobalt car il est principalement produit de manière non éthique, et également d'augmenter la densité d'énergie qui est égale à la capacité multipliée par la fenêtre de tension de fonctionnement. La raison pour laquelle les électrolytes solides peuvent être utilisés avec des cathodes haute tension est que certains électrolytes solides ont une fenêtre de tension de fonctionnement stable entre 0 et 5 V, et 5 V est l'endroit où beaucoup d'électrolytes liquides commencent rapidement à se décomposer (environ 3 -4V). Mais avec les batteries à semi-conducteurs, la composition des matériaux de la cathode n'est pas si claire. Si vous utilisez un matériau sans cobalt, nickel ou manganèse tel qu'une cathode au phosphate de fer au lithium (LFP), c'est éthiquement mieux, mais avec EV, car vous voulez une cathode haute tension pour une densité d'énergie accrue, cela devrait être à base de nickel.
Un autre point est la façon dont vous classez les matériaux électrolytiques solides ; vous avez des électrolytes inorganiques et organiques. Ce dernier utilise généralement une sorte d'électrolytes polymères, mais comme leur conductivité ionique est faible, vous n'avez pas tendance à les utiliser pour les applications EV. Lorsque vous regardez les inorganiques, il existe de nombreuses classifications - les deux principales sont les oxydes et les matériaux soufrés. Les oxydes sont une céramique dure et facilement disponible, mais vous devez les fritter à des températures élevées d'environ 1 000 à 1 200 o C et cela a beaucoup de coûts impliqués. Les produits chimiques à base de soufre sont des matériaux plus mous, vous n'avez donc pas besoin de les traiter à une température aussi élevée, ce qui est un avantage, mais lorsque le soufre réagit avec l'humidité, il produit H2 Le gaz S qui est toxique, donc ces éléments doivent être pris en compte lorsque vous avez une ligne de production, ainsi que le CO2 émissions.
Pooja : Une réduction des temps de charge; QuantumScape a indiqué que sa cellule peut charger à 80 % de sa capacité en 15 minutes, ce qui est beaucoup moins par rapport à la norme de l'industrie actuelle, qui est d'environ 30 à 40 minutes, et l'une des principales raisons pour lesquelles vous pouvez le faire est qu'il n'y a pas électrolyte liquide inflammable dans une batterie à semi-conducteurs pour que vous n'ayez pas à penser à une augmentation de la température de la cellule lors de la charge à des vitesses plus rapides.
Pranav : Comme Pooja l'a mentionné, un temps de charge rapide sera un grand avantage avec les SSB. 80 % en 15 minutes signifie que nous obtenons environ 26 % de charge en 5 minutes. Même en supposant une autonomie de 400 km, cela équivaut à plus de 100 km d'autonomie en 5 minutes de temps de charge rapide, ce qui semble assez impressionnant. En dehors de cela, je suppose que l'amélioration de l'emballage de la batterie est un autre avantage du point de vue de l'ingénierie de conception.
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Pooja : C'est difficile à dire car personne n'a encore fait de pack complet. Le recyclage devrait en principe être possible. Mais sera-t-il rentable d'extraire les matériaux par recyclage ? En fin de compte, cela dépend de la chimie de l'électrolyte solide. Le caractère solide des électrolytes solides facilite l'extraction des composants par rapport à un électrolyte liquide. Et si un électrolyte solide de soufre est utilisé, le soufre est très bon marché, il peut donc ne pas être efficace d'être recyclé. Si un électrolyte solide en céramique est utilisé, ce qui nécessite un traitement à haute température et est donc coûteux à produire, il pourrait alors justifier des coûts de recyclage. Je ne pense tout simplement pas que ces choses aient été pleinement prises en compte, car nous n'avons pas encore de VE à batterie à semi-conducteurs.
Pranav : Exactement. Hormis la partie électrolyte solide, le reste est identique à une batterie classique, donc en termes de recyclage, elle devrait continuer à progresser sur le même chemin.
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Pooja : Les batteries à semi-conducteurs offrent une double densité d'énergie et sont intrinsèquement sûres. Le problème réside dans les défis techniques et dans leur mise à l'échelle dans des cellules grand format pour les véhicules électriques de manière rentable.
Pranav : En termes de progrès, les batteries à semi-conducteurs (SSB) sont confrontées à des problèmes à plusieurs niveaux. D'un point de vue technique, les SSB sont confrontés à des problèmes avec l'interface électrolyte-électrode elle-même, qui est le contact entre l'électrolyte solide et l'anode et la cathode. L'interface de cellule solide crée beaucoup de problèmes en termes d'énergie lorsque les ions circulent. Il y a aussi un problème avec l'état mécanique. Les électrolytes solides peuvent éventuellement se fissurer sous la pression des cellules empilées lors de la création d'une batterie. Ensuite, il y a le problème de commercialisation pour adapter ces batteries aux volumes de production.
Pooja : Je suis d'accord que la production pourrait être différente mais je ne vois pas cela comme un problème majeur. Vous ne pouvez pas vraiment fabriquer des batteries à semi-conducteurs sous forme de cellule cylindrique car elles ne sont pas assez flexibles pour s'enrouler dans un format cylindrique. Les lignes de production actuelles de batteries lithium-ion devraient donc s'adapter aux cellules de type poche. Mais il y a un avantage à cela car si vous pouvez éliminer l'utilisation de modules qui coûtent cher et mettre directement les cellules dans des packs, oui vous devrez peut-être changer votre format de cellule, mais vous gagnerez en termes de réduction de poids et de coût.
À plus long terme, le plus gros problème est le problème de la pression et des dendrites. L'électrolyte solide dont nous avons parlé plus tôt agit également comme une barrière qui empêche les dendrites de lithium de passer entre les électrodes et de provoquer un court-circuit. En appliquant une pression d'empilement, la formation de dendrites peut être réduite en fournissant un meilleur contact interfacial. Même QuantumScape, qui a déclaré que sa batterie résolvait tous les défis fondamentaux qui ont affligé les batteries à semi-conducteurs, tels que la courte durée de vie et le taux de charge lent, continue de faire fonctionner les cellules à une pression atmosphérique de 3,4. Pouvons-nous faire cela dans un véhicule en mouvement? Souvent, 1 MPa est signalé comme une pression viable pour un véhicule électrique et nous devrions donc viser cela. Nous avons besoin des mêmes performances de cellule pour les batteries à semi-conducteurs, mais sous une pression réaliste que nous pourrions appliquer simplement en empilant les cellules.
Si vous utilisez un électrolyte au soufre, il y a toujours un problème lors d'un accident avec du soufre exposé à l'air et provoquant la libération de gaz toxiques. Les électrolytes oxydes ne produisent pas de tels gaz toxiques, mais nécessitent des températures élevées pour le frittage qui est coûteux. Il existe donc un compromis entre la réduction de la température de frittage de l'électrolyte pour les électrolytes de soufre et le coût associé à la construction de chambres sensibles à l'humidité.
L'autre problème est de construire suffisamment de giga-usines pour réduire le coût de fabrication global des batteries à semi-conducteurs, car elles seront plus chères que le lithium-ion, même si les coûts de chimie initiaux sont inférieurs.
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Pooja : Dire s'il s'agit spécifiquement des années 2030 ou 2034 est très difficile car ces entreprises étudient différents matériaux d'électrolyte solide et tous les coûts associés et la chaîne de production seront différents, il est donc trop tôt pour le dire, mais je ne les vois pas moins chers que les batteries lithium-ion avant cette période.
Pooja : Oui, ils ont en fait un avantage car ils ne sont pas inflammables, vous pouvez donc les porter à des températures plus élevées et même à des températures plus basses où les dendrites semblent se former. Ainsi, bien que le pack soit légèrement plus cher, il peut être utilisé dans davantage d'applications telles que l'aérospatiale ou les véhicules hautes performances qui peuvent nécessiter une plage de températures élevée pendant le fonctionnement. À mesure que les véhicules électriques deviennent populaires, les entreprises peuvent réaliser des économies d'échelle en augmentant la production et en réduisant les coûts.
Pranav : Oui, c'est l'un des principaux points forts des batteries à semi-conducteurs. Large plage de température.
Pranav : Oui. ils n'ont pas besoin de systèmes de refroidissement coûteux. Il est possible qu'ils ne nécessitent aucun système de refroidissement. Cela signifie également que les fabricants de véhicules électriques peuvent utiliser cet espace pour installer plus de batteries ou emballer plus efficacement la taille de la batterie existante.
Pooja : Oui, exactement, et cela peut aussi aider à réduire les coûts de production.
Pranav : Les véhicules électriques de tourisme, il y a beaucoup de recherches en cours en termes d'aviation comme nous l'avons mentionné, donc cela pourrait apparaître comme l'une des applications, mais d'après ce que j'ai lu, nous les verrons d'abord dans les véhicules électriques.
Poja : Oui, je suis d'accord, mais je dirais probablement plus de véhicules électriques de luxe, à cause du coût. Toute application où la sécurité et la densité d'énergie sont primordiales et où le coût n'est pas un problème, c'est là que nous le verrons en premier, donc l'aviation comme l'a dit Pranav. Je dirais que pour les applications à l'échelle du réseau ou marines où vous voulez que les batteries soient très bon marché et que peu importe la densité d'énergie ou la taille, les industries ne se tourneront pas vers l'état solide.
Pranav : Tous les constructeurs automobiles doivent établir un calendrier pour tout projet, et 2025 est un objectif agressif, bien que tout à fait possible pour une démo, mais je ne le vois pas être prêt pour la production d'ici là.
Pooja : Je dirais que d'un point de vue académique, nous devons d'abord résoudre le problème des dendrites. Disons que nous prenons la parole de QuantumScape selon laquelle ils ont résolu le problème des dendrites, puis pour le moment, ils ont une cellule à dix couches qui fera partie d'une cellule à poche unique. Leurs premiers tests de cycle ont été effectués sur une cellule à une seule couche, ils doivent donc reproduire ces résultats sur leur cellule à dix couches. Une fois que la cellule à dix couches fonctionne bien, ils doivent intégrer ces cellules de poche dans un pack, ce qui prendra un à deux ans, puis ils devront l'essayer dans un véhicule prototype et, en tandem, construire une chaîne de production. Tout d'abord, nous devons voir si, une fois qu'ils l'ont mis dans un pack complet, ils obtiennent les performances dont ils ont besoin pour voir si cela vaut la peine d'évoluer pour les gigafactories.
Solid Power est une autre entreprise qui a fabriqué une cellule de poche de 2 Ah et qui fabrique actuellement 20 Ah. Même si les délais sont assez longs, je pense que d'ici un an ou deux, nous pourrons au moins savoir si cela va être commercial et intégré dans les véhicules électriques avec les problèmes susmentionnés résolus. C'est à ce moment-là qu'il sera temps de s'exciter, mais ce n'est pas loin :passer des laboratoires à la fabrication et, si cela fait ses preuves, avec suffisamment d'argent et d'investisseurs, pour créer rapidement des installations de production.
Le groupe BMW et Ford visent à utiliser la technologie de batterie à semi-conducteurs à faible coût et à haute énergie de Solid Power dans les futurs véhicules électriques Pooja : Je pense que les deux sont nécessaires, et dans les cas d'applications supérieures telles que les performances / véhicules électriques de luxe où les performances et la sécurité sont primordiales, nous aurons un état solide, mais je ne vois pas le lithium-ion disparaître de si tôt, c'est assez bon marché et pour des choses comme les systèmes de stockage d'énergie, c'est parfait, en raison de leur réponse rapide, de leur modularisation et de leur installation flexible.
Pranav : Je suis également d'accord avec Pooja, au moins pour les prochaines décennies et jusqu'à ce que les coûts des batteries à semi-conducteurs baissent, nous les verrons tous les deux utilisés. Et en ce qui concerne la déclaration de VW, je pense que nous pourrions voir une augmentation de l'autonomie jusqu'à 50 %.
Poja : C'est pas mal, il y a Samsung, qui s'est associé à Toyota. Honda et Nissan, puis il y a Solid Power dans lequel BMW et Ford sont fortement investis - qui utilisent un électrolyte au soufre différent de QuantumScape qui utilise un électrolyte en céramique. Solid Power cherche également à avoir une anode en silicium, ce qui est intéressant car l'industrie utilise principalement des anodes en lithium. Il y a Solid Energy Systems avec lequel General Motors est en partenariat et ils utilisent un système d'électrolyte hybride - un électrolyte polymère solide pour protéger l'anode au lithium mais qui a un électrolyte liquide.
