CELLULES DE BATTERIE
Stade actuel du développement
Les batteries dites « solides » (en anglais : solid-state battery – SSB) sont depuis des années déjà considérées comme un jalon potentiel dans la technologie des batteries. Elles font l’objet de travaux de recherche intensifs dans le monde entier, notamment dans l’industrie automobile et chez ses équipementiers. On en espère surtout des progrès en matière d’autonomie des voitures électriques. Comparé aux batteries lithium-ions (LI), actuellement leaders mais qui arrivent peu à peu à leurs limites de performance, les batteries SSB pourraient atteindre des densités énergétiques nettement plus élevées, supérieures à 350 Wh/kg, alors que les batteries lithium-ions stagnent typiquement en dessous de 300 Wh/kg.
En outre, les batteries solides offrent potentiellement une sécurité accrue : elles ne fuient pas, elles sont moins enclines à l’emballement thermique, et offrent une plus grande longévité du fait d’une moindre dégradation. En pratique toutefois, il reste encore quelques obstacles à surmonter au niveau de la conductivité des ions, de la compatibilité des matériaux, de la stabilité et de la capacité à industrialiser la production – donc au niveau des coûts à la recharge. Il faut donc attendre de voir dans quelle mesure les batteries solides parviendront à s’imposer vis-à-vis de la technologie lithium-ions établie et non encore poussée dans ses derniers retranchements.
Trouver la combinaison de matériaux parfaite
Qu’est-ce qui fait une batterie solide et qu’est-ce qui la distingue des batteries conventionnelles ? Au lieu d’un électrolyte liquide ou gélatineux (substance électroconductrice), les batteries SSB font appel à un électrolyte solide. Il existe plusieurs électrolytes solides candidats, qui chacun ont leurs avantages et inconvénients. Les types suivants sont particulièrement prometteurs :
- Électrolytes aux polymères : Ils sont déjà utilisés dans les bus électriques, ils sont relativement peu coûteux mais la conductivité de leurs ions est toutefois réduite à température ambiante, ce qui nécessite des températures de fonctionnement plus élevées.
- Électrolytes sulfuriques : Haute conductivité mais stabilité électrochimique plus faible. Les défis sont situés dans l’industrialisation et les coûts. L’arrivée sur le marché est attendue entre 2025 et 2030.
- Électrolytes oxydiques : Haut stabilité électrochimique, conductivité moyenne, mais transformation plus difficile. Intéressants lorsque combinés avec d’autres électrolytes. Leur arrivée sur le marché est aussi attendue entre 2025 et 2030.
Les batteries solides nécessitent en partie d’autres composants et elles modifient la structure d’ensemble de la batterie. Les anodes en graphite sont remplacées par des anodes en lithium ou silicium. Tout dépend toujours du concept d’ensemble comprenant l’anode, la cathode, le séparateur et le ou les électrolyte(s). Actuellement, d’innombrables matériaux et combinaisons de matériaux sont à l’étude pour découvrir le concept le plus prometteur, qui permette la meilleure mise en œuvre. Certains fabricants ont déjà présenté des cellules SSB au format pochette et ils annoncent des capacités de production progressivement croissantes.
Les batteries hybrides sont-elles l’étape de développement suivante ?
Les batteries solides ne sont pas une étape disruptive dans la technologie des batteries, mais une étape dans son évolution. Car la recherche a montré ces dernières années que possiblement la clé ne résidait pas dans des batteries purement solides (batteries all-solid-state – ASSB), mais dans des concepts hybrides qui opèrent avec des électrolytes différents du côté de l’anode et de celui de la cathode ; on parle dans ce cas d’anolyte et de catholyte. Sont très prometteurs aussi bien les combinaisons solide/liquide que les combinaisons solide/solide, par exemple d’électrolytes sulfuriques et oxydiques.
Parviendra-t-on à surmonter la complexité technique des SSB et à les produire à l’échelle industrielle à un coût défendable ? Cela reste à voir. Car en définitive il reste aux batteries solides à s’imposer sur le marché vis-à-vis de la technologie lithium-ions établie. Alors dans ce cas rien ne s’opposera à leur entrée dans les applications stationnaires comme les smartphones et les appareils électriques.
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