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Batteries à l'état solide : définition, fonctionnement, autonomie

Ces "batteries du futur" auront plus d'énergie et des temps de charge plus courts, seront plus sûres et dureront plus longtemps.

Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan

Par: Francesco Barontini

Traduit par: Aurélien Attard

22 Jan 2024 à 10:22

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L'une des solutions les plus attendues dans la course à la voiture électrique du futur est la batterie à l'état solide. Elle est très prisée car elle a une densité énergétique plus élevée, se recharge plus rapidement, dure plus longtemps et est également plus sûre.

La technologie est au point et de nombreuses entreprises en produisent désormais dans des installations pilotes ou en petites quantités. C'est précisément le principal obstacle à sa diffusion : la production de masse. S'il y a un point sur lequel il faut encore travailler, ce sont les méthodes de production. Mais à quoi ressemblent les batteries à l'état solide ?

Une question d'électrolyte

Commençons par un concept fondamental : les batteries à l'état solide sont des batteries lithium-ion normales dans lesquelles l'électrolyte, généralement liquide, est remplacé par un électrolyte solide (d'où le nom). Les cellules continuent à avoir deux électrodes, l'anode et la cathode, avec une charge négative et une charge positive, un séparateur placé entre elles et un électrolyte qui permet aux ions lithium de se déplacer entre les deux électrodes lors de la charge et de la décharge.

L'industrie des batteries teste différents types d'électrolytes solides, généralement en céramique ou en composite. Le premier est plus "rigide", tandis que le second, en fonction du mélange utilisé, peut être plus ou moins élastique. Certains chercheurs développent également d'autres types d'électrolytes solides, mais l'expérimentation n'en est qu'à ses débuts.

Batterie stato solido, BMW, Ford e Solid Power

La batterié à l'état solide de Solid Power

D'abord considérées comme une variante des batteries lithium-ion "traditionnelles", les batteries à l'état solide commencent à se différencier. Ainsi, il existe des batteries à l'état solide de type lithium-métal et il n'est pas exclu qu'à l'avenir, d'autres chimies soient adoptées.

Tous les avantages du "solid state"

Comme nous l'avons mentionné, les batteries à l'état solide sont très convoitées parce qu'elles sont plus performantes. Par exemple, elles peuvent atteindre une densité énergétique 2,5 fois supérieure à celle d'une batterie lithium-ion. En raison de l'absence de liquides et d'éléments volatils, elles sont également plus résistantes aux flammes, et donc plus sûres. En outre, elles présentent une plus grande stabilité électrochimique, ce qui garantit des performances plus constantes dans le temps et une durée de vie plus longue.

Les batteries à l'état solide sont également plus légères et peuvent être rechargées jusqu'à 4 à 6 fois plus rapidement qu'une batterie à électrolyte liquide. Cela signifie qu'à l'avenir, une voiture n'aura plus qu'à rester quelques minutes à la station-service pour faire le plein d'électrons, comblant ainsi le "temps d'attente" du ravitaillement qui la différencie encore d'une voiture thermique.

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Il faut apprendre à les produire

Quant aux inconvénients, ils sont pour l'instant principalement liés à la production en grande quantité et à la gestion des coûts. Les procédés de fabrication sont encore complexes et la recherche n'a pas encore permis d'identifier des électrolytes réellement performants en termes de conductivité ionique. Bref, il faut du temps. Encore quelques années, au moins...

Et puis, il y a un autre problème : la fiabilité. Les batteries à l'état solide, comme toutes les autres, ont tendance à se déformer pendant la charge et l'utilisation. L'absence de liquide à l'intérieur des cellules peut entraîner des contraintes plus importantes qui peuvent compromettre le bon fonctionnement des batteries elles-mêmes. Pour remédier, au moins partiellement, à ces inconvénients, les batteries à l'état solide utilisent principalement des cellules de type "pouch" (ou "de poche"), qui sont par nature plus flexibles.

Où en sommes-nous ?

À l'heure actuelle, aucun constructeur automobile n'a encore mis sur le marché une voiture électrique dotée d'une batterie à l'état solide. NIO, qui est le fabricant le plus avancé avec cette technologie, a présenté une batterie semi-solide d'une capacité de 150 kWh qui offre 1 000 km d'autonomie, mais ce n'est pas tout à fait la même chose.

Tesla Model Y : cellules cylindriques de type 4680 et batterie structurelle (source : Paul Kelly)

La batterie "cell-to-pack" de Tesla avec des cellules 4680

Cependant, le paysage évolue rapidement et bientôt, de "vraies" batteries à l'état solide arriveront sur le marché. En effet, il existe de nombreux constructeurs qui, en exploitant des accords avec des entreprises spécialisées, seront en mesure d'utiliser cette technologie dans quelques années.

Toyota, qui connaît une véritable révolution technologique dans le domaine des batteries, en disposera en 2028. Nissan s'est également fixé cet horizon. Mais il y a ceux qui le feront plus tôt : Stellantis, qui s'est fixé comme objectif une commercialisation en 2026 avec Factorial, et Volkswagen, qui travaille avec QuantumScape. Tout comme Mercedes, qui a jeté son dévolu sur ProLogium (qui négocie la construction d'une Gigafactory en France). BMW et Ford, qui ont investi massivement dans Solid Power, ont déjà commencé à tester des prototypes. Et bien d'autres encore.

Dans tout cela, il y a un constructeur qui fait partie des références en matière de mobilité électrique et qui va à l'encontre de la tendance. Il s'agit de Tesla. Elon Musk, pour l'instant, semble se concentrer sur les cellules 4680 et ne parle pas de l'état solide. Il considère que l'on en est encore loin et pense pouvoir utiliser ses nouvelles batteries pour faire une percée sur la concurrence dans un avenir proche. Mais connaissant le personnage, il n'est pas exclu qu'il fasse tôt ou tard une déclaration fracassante sur le sujet.

Galerie: Nissan montre comment il va fabriquer des batteries à l'état solide

Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan

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Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan Production pilote des batteries à semi-conducteurs de Nissan

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