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Batteries à l'état solide - Est-on proche de la révolution ?
L'institut allemand Fraunhofer explique comment le monde des batteries va évoluer d'ici à 2035.
Par: Francesco Barontini
Traduit par: Mael Pilven
30 Mai 2022 à 10:30
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L'institut de recherche Fraunhofer, basé à Karlushe, en Allemagne, a publié une étude sur les batteries à l'état solide. Plus précisément, les chercheurs allemands se sont demandé où en était cette technologie et, surtout, quel avenir elle avait par rapport à la norme actuelle, représentée par les célèbres batteries lithium-ion.
L'étude a montré qu'aujourd'hui, après des années de fort développement, les batteries lithium-ion sont sur le point d'atteindre leur plein potentiel. Des améliorations sont encore possibles, mais les progrès les plus importants semblent avoir été réalisés. La véritable révolution viendra alors avec l'arrivée des batteries à l'état solide tant attendues. Cela se produira en masse d'ici 10 ans. Mais à quoi devons-nous nous attendre ?
Quelques innovations en termes de matériaux
Commençons par parler des formules chimiques. Sur les batteries lithium-ion et à semi-conducteurs d'aujourd'hui, certaines choses ne changeront pas. En termes de matériaux, par exemple, le lithium métal et le silicium resteront les plus prometteurs pour la production d'anodes. Ils offrent la plus grande densité énergétique, mais les méthodes pour les produire à grande échelle doivent encore être développées.
En effet, aujourd'hui, les anodes en silicium ont une densité énergétique légèrement inférieure à celle des anodes en lithium métal, mais les marges d'amélioration sont importantes et un seuil de rentabilité substantiel sera atteint à l'avenir.
En ce qui concerne le reste des cellules, les fabricants de batteries testent une variété de formules chimiques. Toutefois, à ce jour, les accumulateurs NMC/NCA (nickel, manganèse, cobalt ou nickel, cobalt et aluminium) sont les plus performants, bien qu'il existe d'autres formules chimiques - surtout le LFP (lithium phosphate de fer) - dont le coût est inférieur et dont les caractéristiques techniques s'améliorent.
Trois électrolytes pour l'avenir
La différence fondamentale, dont découle également le nom de Solid State Battery (SSB), est l'électrolyte. Dans cet aspect spécifique, trois groupes de matériaux pourraient se distinguer comme étant ceux dans lesquels il conviendrait d'investir :
- Les électrolytes à oxyde solide: ils ont une grande capacité de résistance mécanique et une grande stabilité chimique, mais ils nécessitent un traitement à haute température (frittage), ce qui les rend assez fragiles et ont une mauvaise conductivité ionique.
- Les électrolytes solides à base de sulfure: ils sont plus souples et plus faciles à travailler et se déforment plus facilement, s'adaptant ainsi à diverses utilisations, mais ne sont produits que pour des projets de recherche et une méthode de construction à grande échelle doit encore être mise au point.
- Les électrolytes solides polymères: ce sont les plus faciles et les moins coûteux à produire, mais ils présentent certaines limites en raison de leur manque de conductivité ionique à température ambiante et doivent donc être ajustés pour obtenir de meilleures performances.
Comment le marché s'étend
Selon l'étude de l'institut allemand, la production de batteries à l'état solide décollera vers 2025. Ou plutôt, d'ici trois ans, les électrolytes solides d'oxyde et de sulfure commenceront à augmenter considérablement en volume en termes de disponibilité sur le marché et trouveront leurs premières applications commerciales. Trois ans plus tard, en 2028, il en sera de même pour les électrolytes polymères.
Au cours de ces années, le secteur des piles solides se développera non seulement en raison de la définition de méthodes de production plus durables sur le plan économique, mais aussi parce que l'industrie optimisera tous les composants des piles afin de fabriquer des produits très performants. Ainsi, les anodes et les cathodes et les différents matériaux actifs à l'intérieur des cellules vont changer.
Tous les avantages de l'état solide
Les batteries à semi-conducteurs vont progressivement remplacer les batteries lithium-ion pour diverses raisons. Selon les chercheurs de Fraunhofer, les points forts sont :
- Densité énergétique (pourrait bientôt passer de 350 Wh/l actuellement à 1150 Wh/l)
- Sécurité (moins de risque d'incendie dû à la surchauffe)
- Durabilité (moins de dégradation de la structure interne)
- Vitesse de charge (puissance de sortie plus élevée grâce à une meilleure gestion de la température)
Toutes les utilisations de l'état solide
Le développement et la diffusion des batteries à semi-conducteurs seront déterminés par le monde de la voiture électrique. C'est le secteur automobile qui imposera l'utilisation à grande échelle de ce type de batterie. Mais une fois que l'industrie qui les produit sera structurée, les champs d'application seront nombreux.
Les piles à semi-conducteurs seront utilisées dans les appareils électroniques grand public, mais aussi dans les outils électriques destinés à l'usinage professionnel. Compte tenu des coûts de production initialement plus élevés, les piles à semi-conducteurs débuteront progressivement sur des modèles haut de gamme.
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Augmenter la production
En 2030, selon l'étude, la production de batteries à l'état solide atteindra entre 15 et 40 GWh, tandis qu'en 2035, elle pourrait atteindre 120 GWh par an. Dans la même période, la production de batteries lithium-ion normales atteindra des sommets sans précédent : jusqu'à 6 TWh en 2030 et jusqu'à 8 TWh en 2035.
Production 2025 Production 2030 Production 2035 Batteries lithium-ion 2,5 TWh 1-6 TWh 2-8 TWh Piles à l'état solide 2-10 GWh 15-40 GWh 120 GWh
Géographiquement, ce seront toujours les puissances asiatiques (Chine, Corée du Sud et Japon) qui seront à la pointe, mais elles seront en concurrence presque égale avec les États-Unis et l'Union européenne.
Galerie: Nissan montre comment il va fabriquer des batteries à l'état solide
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