S'il est vrai que des modèles de voitures électriques de plus en plus compétitifs apparaissent, pour que la mobilité électrique devienne une réalité, l'autonomie offerte par les véhicules électriques devrait être encore plus grande.
Et c'est précisément la tâche fondamentale des batteries à semi-conducteurs, en plus d'offrir une plus grande stabilité et sécurité.
La technologie des batteries à semi-conducteurs est une évolution du lithium-ion d'aujourd'hui batteries (Li-Ion); utilisé non seulement dans les véhicules électriques, mais également dans toutes sortes d'appareils électroniques, tels que les smartphones.
John B. Goodassez –un scientifique et physicien germano-américain, co-inventeur de la batterie lithium-ion– à ses 97 ans dirige également le développement de la batterie à semi-conducteurs utilisant des électrolytes cristallins inorganiques . Et, en fait, il n'est pas seul dans cette recherche, puisque l'Université de Californie à San Diego a également investi dans les solides inorganiques tels que les oxydes céramiques et le verre au soufre.
L'introduction d'électrolytes à l'état solide sur le marché permettra de fournir une plus grande autonomie , plus grande sécurité et stabilité, réduction des coûts économiques et offrent des périodes de charge plus courtes .
D'une part, la batterie lithium-ion est composée de deux électrodes; cathode et anode, qui sont séparées par un séparateur, intégrées dans une cellule et immergées dans l'électrolyte , un liquide conducteur qui fait réagir chimiquement les ions nécessaires entre les électrodes. Et la combinaison de plusieurs cellules forme la batterie.
Eh bien, lorsque nous allumons notre véhicule, ces réactions chimiques sont activées et déclenchent la circulation des ions entre les électrodes, produisant des électrons, les transférant aux pinces de la batterie et générant de l'énergie. Et lorsque nous chargeons la batterie, les particules circulent en sens inverse et le processus inverse se produit.
Comme nous le savons, ces batteries ont une durée de vie limitée de 8 à 10 ans , ce qui équivaut à environ 3 000 cycles de charge complets . Cela est dû au fait que le lithium liquide, avec le temps, se solidifie et crée de petites cavités appelées dendrites , qui sont coupables d'affaiblir la batterie, provoquant une surchauffe et des courts-circuits.
Et non seulement cela, mais un autre problème avec l'électrolyte liquide c'est qu'il est inflammable , qui nécessite des systèmes de sécurité et de refroidissement pour éviter l'accumulation de chaleur et les pertes de capacité. Et tout cela signifie un coût, un poids et un volume plus élevés pour la batterie.
D'autre part, la principale différence dans la batterie à l'état solide tombe sur l'électrolyte qui, dans ce cas, est un solide plutôt qu'un liquide. En d'autres termes, les cellules de stockage d'énergie de ces batteries ne contiennent pas de liquide conducteur, mais sont constituées d'un composé solide qui remplit la même fonction que l'électrolyte liquide :il transmet les ions entre les électrodes pour générer de l'énergie.
La performance globale est la même, mais en utilisant un électrolyte solide inorganique facilite plusieurs aspects. Pour être plus précis, l'équipe de John B. Goodenough, en collaboration avec l'ingénieur Maria Helena Braga, a déjà déposé son brevet d'électrolyte de verre solide en avril 2020. Sa version possède une anode en métal alcalin qui permet d'augmenter la densité d'énergie et la durée de vie de la batterie.
Grâce aux images Spring8, nous pouvons avoir une idée du fonctionnement de ces nouvelles batteries par rapport aux batteries lithium-ion actuelles.
Coûts de production et de vente réduits, plus grande sécurité, ininflammable, durée de vie plus longue, densité énergétique plus élevée et plus grandes possibilités de recyclage.
L'utilisation d'un composé solide dans les cellules fournit une densité d'énergie plus élevée, ce qui signifie une capacité de stockage d'énergie plus élevée. Dans le cas du verre, il est capable de stocker plus d'énergie en moins de poids.
Pour être plus précis, ce type de batterie serait capable de stocker jusqu'à trois voire cinq fois plus d'énergie que son équivalent lithium-ion. Par conséquent, cela signifie qu'ils permettent une autonomie beaucoup plus élevée .
De plus, non seulement ils permettent de rallonger les cycles de charge et de décharge (ce qui permet d'augmenter leur durée de vie), mais ils réduisent également le drainage passif (le processus de décharge de la batterie lorsqu'elle n'est pas utilisée).
Les batteries au lithium-verre développées par John B. Goodenough sont capables de supporter plus de 20 000 cycles de charge complets (lors des tests en laboratoire, elles ont dépassé 23 000 cycles ).
Les électrolytes à l'état solide accélèrent la charge et offrent des temps de charge beaucoup plus courts (juste en quelques minutes), car ces temps sont réduits jusqu'à six fois par rapport aux batteries lithium-ion actuelles.
Cela est dû au fait que la batterie, étant constituée d'un composé inorganique solide (comme le verre), permet un mouvement plus facile et plus rapide entre les électrodes.
En empêchant la formation de dendrites et en éliminant les risques d'explosion et d'incendie – dont disposent les batteries lithium-ion actuelles (rappelons cependant que le risque d'incendie est quatre fois plus élevé dans une essence ou un diesel que dans une électrique) – il est possible d'augmenter encore la sécurité apportée.
Ainsi, les batteries à électrolyte solide, étant beaucoup moins chauffées, n'ont pas besoin de systèmes de sécurité ou de refroidissement pour éviter l'accumulation de chaleur. Ils n'ont pas non plus besoin de séparateurs entre les électrodes ou de la housse de protection étanche qui, après tout, ajoutent au coût, au poids et à plus de la moitié du volume des batteries Li-ion.
Et comme si cela ne suffisait pas, ces nouvelles batteries fonctionnent de manière optimale même à des températures extrêmes jusqu'à -20°C.
La production de masse est encore à un stade de recherche, mais si nous parlons d'un matériau comme le verre, qui est facile et rapide à fabriquer, cela permettrait le coût total de la batterie elle-même et du véhicule électrique lui-même pour être considérablement réduit . Cela permettrait également de fabriquer les cellules à partir de matériaux beaucoup plus durables que les batteries lithium-ion actuelles.
Un autre point très important à prendre en compte est que ces batteries permettraient d'éliminer pratiquement tout le cobalt présent dans les cellules ; une matière première très chère, rare et non durable.
Initialement, il n'était pas prévu que ce type de batterie soit commercialisé avant au moins une décennie . Cependant, plus d'un fabricant a déjà commencé à investir dans ce type de technologie et même à développer son propre brevet, comme John B. Goodenough et Samsung ai fait. Toyota, Porsche, BMW, Fisker, Hyundai, General Motors, Honda, Nissan, Daimler et Volkswagen sont des exemples de marques qui investissent déjà dans son développement.
Samsung a présenté en mars 2020 son avancée dans le développement des batteries à électrolyte solide, dont le prototype promet de produire des batteries 50% plus petites que les actuelles. La société estime que dans quelques années, elle pourrait lancer son premier smartphone avec cette nouvelle technologie.
Toyota , par exemple, avait jusqu'ici refusé de produire des voitures tout électriques car elle considérait qu'il y avait encore deux limitations très nettes :les durées de charge et l'autonomie du véhicule électrique. Eh bien, maintenant, avec le développement de l'électrolyte solide, Toyota va enfin lancer sa première voiture 100 % électrique avec batterie à électrolytes solides en 2022.
Nous parlons du nouveau C-HR EV qui, en avril dernier, a déjà atterri chez les premiers concessionnaires chinois, mais en Europe, il est censé prendre au moins quelques années de plus pour arriver. Sous la nouvelle société Prime Planet Energy &Solutions, la nouvelle coentreprise avec Panasonic, il était prévu que cette année la marque se présente aux Jeux Olympiques de Tokyo une voiture électrique alimentée par des batteries à électrolyte solide, mais à cause du coronavirus il va falloir patienter encore un peu !
Une nouvelle étude du MIT (Massachusetts Institute of Technology) travaille également sur la conception d'une anode métallique en lithium pur.
Prologue (fabricant taïwanais de batteries) a annoncé au début de cette année au CES (scène mondiale où sont présentées les innovations technologiques) un accord avec différents constructeurs automobiles pour installer les nouvelles batteries à semi-conducteurs haute tension à électrolyte céramique (basées sur le MAB, Multi Technique Axis BiPolar+) dans leurs voitures électriques. Pendant ce temps, KITECH (The Korea Institute of Industrial Technology) ne veut pas non plus être en reste avec cette nouvelle technologie prometteuse.
Certains soulignent que l'avenir de la batterie à semi-conducteurs utilisera du silicium au lieu du verre, d'autres que le plus prometteur est d'utiliser du verre à base de sodium (sel), car c'est un matériau très courant sur terre et a un faible impact environnemental .
Cependant, bien que la méthode et le temps de mise en œuvre de cette technologie soient quelque peu incertains et doivent être effectués en tenant compte des critères de réutilisation et de recyclage et processus, ce qui est clair, c'est qu'il s'agira d'une véritable révolution et pas seulement dans la mobilité électrique mais dans toute l'industrie électronique.
Pouvez-vous imaginer que le transport privé, le transport maritime lourd, l'aviation et la zone maritime soient alimentés par des batteries électriques durables ? Adieu définitif au moteur à combustion et la pollution. Un rêve devenu réalité ?
