La densité énergétique de la batterie à semi-conducteurs atteint 500 Wh/kg

La NASA a réalisé une avancée majeure dans le domaine des batteries à l'état solide

La NASA affirme avoir fait une percée dans le développement de batteries à l'état solide pour l'aviation. Selon le site web de la NASA, la densité d'énergie des batteries à semi-conducteurs est de l'ordre du million d'euros. batterie à l'état solide développée par la NASA a atteint 500 Wh/kg, ce qui représente presque le double de la densité énergétique de la meilleure batterie actuelle pour véhicule électrique - la batterie au lithium 4680 de Tesla a une densité énergétique de 300 Wh/kg.

La batterie à l'état solide de la NASA est une batterie sélénium-soufre, qui utilise du soufre bon marché et facilement disponible comme électrolyte, ainsi qu'un matériau "graphène poreux" développé précédemment par la NASA, qui est conducteur et léger.

En outre, contrairement aux batteries lithium-ion qui se présentent sous la forme d'un seul boîtier, les batteries à semi-conducteurs de la NASA empilent les cellules les unes sur les autres dans un seul boîtier, ce qui permet de réduire le poids de la batterie de 30% à 40%.

"SABERS a expérimenté de nouveaux matériaux pour les batteries qui ont montré des progrès remarquables dans la décharge de l'électricité. Au cours de l'année écoulée, l'équipe a réussi à multiplier par 10 le taux de décharge de la batterie, et depuis par 5, ce qui rapproche les chercheurs de l'objectif d'alimenter des véhicules de grande taille". a déclaré la NASA dans son communiqué de presse. Les avions électriques et le programme de mobilité aérienne avancée de la NASA seront les principaux bénéficiaires de la nouvelle technologie de batterie, selon la présentation.

La nouvelle batterie à semi-conducteurs peut être réutilisée jusqu'à 10 000 fois

Selon les médias, Li Xin, professeur chinois à l'université de Harvard, et Ye Luhan, étudiant, ont mis au point une nouvelle batterie à semi-conducteurs qui peut être réutilisée 10 000 fois et peut être rechargée en trois minutes à la vitesse la plus rapide.

Un article connexe publié par le duo en mai 2021 décrit le principe de la nouvelle batterie à l'état solide. Dans cet article, les chercheurs indiquent qu'ils ont fabriqué une batterie à l'état solide multicouche lithium-métal avec une stabilité interfaciale, ce qui permet d'obtenir un cycle stable à des densités de courant ultra-élevées et d'inhiber la pénétration des dendrites.

La conception multicouche de la batterie est caractérisée par un électrolyte instable pris en sandwich entre un électrolyte solide stable, formant une structure "sandwich", et en réalisant une bonne décomposition locale des fissures dans la couche d'électrolyte instable, la croissance des dendrites de lithium est inhibée.

Comme le montre la figure ci-dessus, de gauche à droite, la structure de la batterie "sandwich" se compose d'une électrode négative en lithium métal → graphite →LPSCI→LGPS→LPSCI→ électrode positive monocristalline LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (nickelmanganèse-cobalt 811).

Le graphite se trouve entre l'anode de lithium métal et la première couche d'électrolyte solide, et est principalement utilisé pour l'isolation thermique. Comme décrit dans l'article, le premier électrolyte solide sandwiché des deux côtés est Li5.5PS4.5Cl1.5 (LPSCI), qui se caractérise par ses performances stables par rapport au lithium métal, mais qui est sujet à la pénétration de dendrites de lithium. Sa présence peut stabiliser l'interface principale entre le lithium métal et les couches de graphite et réduire le surpotentiel global.

Le deuxième électrolyte pris en sandwich au milieu est Li10Ge1P2S12 (LGPS), qui est moins stable que le lithium métal, mais qui n'est pas facile à pénétrer dans la dendrite de lithium. L'électrolyte intermédiaire peut être remplacé par Li9.54Si1.74(P0.9Sb0.1)1.44S11.7Cl0.3(LSPS) pour obtenir des performances similaires.

Les dendrites de lithium peuvent traverser le graphite et la première couche d'électrolyte, mais sont interceptées lorsqu'elles atteignent la deuxième couche d'électrolyte. En général, les batteries solides au lithium métal sont chargées et déchargées de manière répétée, et des fissures microniques ou submicroniques apparaissent fréquemment dans les particules de céramique.

Une fois les fissures formées, la pénétration des dendrites de lithium et les courts-circuits sont inévitables. La couche d'électrolyte solide au milieu du sandwich empêche les dendrites de lithium de percer l'ensemble de la batterie, évitant ainsi un court-circuit ou même un incendie à l'anode et à la cathode.

Cette technologie permet non seulement d'améliorer la sécurité, mais aussi d'obtenir d'excellentes performances de cyclage avec le lithium métal comme électrode négative et LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2 comme électrode positive. Au taux de décharge de 1,5C (0,64mAcm-2) et 20C (8,6mAcm-2), le taux de rétention de la capacité a atteint 81,3% et 82% après 2000 et 10000 cycles.

En outre, le matériau cathodique de la batterie à l'échelle du micron peut atteindre une puissance spécifique de 110,6 kW/kg et une énergie spécifique allant jusqu'à 631,1 wattheures/kg. Afin de poursuivre leurs recherches sur les batteries à l'état solide, les deux chercheurs ont fondé une start-up spécialisée dans les batteries, Adden Energy, qui aurait levé cette année $5,15 millions d'euros.

Quelle est la difficulté de l'industrialisation des piles à l'état solide ?

Les batteries à l'état solide ne sont pas tout à fait nouvelles. Dans les piles au lithium liquide traditionnelles, les ions lithium passent du positif au négatif, puis au positif, et la pile complète le processus de charge et de décharge. Les piles à l'état solide fonctionnent de la même manière, mais avec des électrolytes solides.

En 2017, Fisker, une entreprise américaine de véhicules électriques basée à Anaheim, en Californie, a déposé un brevet pour une batterie à l'état solide qui peut être chargée en une minute et avoir une autonomie de 800 km. Le fondateur Henrik Fisker affirme que la batterie à l'état solide de l'entreprise pourrait être prête pour une production de masse d'ici 2023 à un tiers du prix des batteries lithium-ion conventionnelles. En 2021, cependant, Henrik Fisker a annoncé qu'il avait complètement abandonné le projet de batterie à semi-conducteurs.

En octobre 2011, le groupe Bollore a commencé à installer des batteries à l'état solide fabriquées par BatScap dans sa voiture électrique "Bluecar" et son bus électrique "Bluebus" qu'il a lui-même développés. Au total, 2 900 véhicules électriques ont été mis en service.

Mais la batterie à l'état solide n'a qu'une capacité de 30KWh et une densité énergétique de 110 Wh/kg. Du point de vue de l'industrie, l'industrialisation de la batterie au lithium à l'état solide, du point de vue technique, présente encore de nombreux défis. Le premier est la faible conductivité ionique des électrolytes solides, en particulier à basse température. Deuxièmement, la résistance interfaciale à l'interface solide de l'électrode et de l'électrolyte est élevée.

En outre, de nouveaux matériaux tels que les négatifs au carbone de silicium pré-lithié ou les futurs négatifs au lithium métallique, les positifs à haute teneur en nickel et les électrolytes solides pour les batteries à l'état solide, bouleversent complètement le système actuel des batteries au lithium liquide, le coût de production est beaucoup plus élevé que celui des matériaux correspondants actuels, le chemin vers la réduction des coûts est extrêmement ardu et long.

Il existe trois principaux types de matériaux d'électrolyte solide : les polymères, tels que l'hexafluorophosphate de lithium dopé au PEO ; les oxydes, tels que l'oxyde de zirconium et d'acier au lithium (LLZO), NASICON, etc. et le sulfure, tel que le LPSX(X=Cl,Br,I). Parmi les trois voies d'accès aux matériaux, le système polymère présente l'avantage d'une conductivité ionique à haute température et d'un traitement facile. Cependant, sa conductivité ionique est très faible à température ambiante, ce qui limite son développement.

Par exemple, la batterie à semi-conducteurs française Bolore utilise un système polymère. Pour que la voiture électrique fonctionne à température ambiante, le groupe Bolore a spécialement équipé chaque voiture d'un radiateur, qui chauffe le système de batterie entre 60℃ et 80℃ avant le démarrage.

L'avantage du système d'oxyde est que la performance globale est meilleure, mais la résistance interfaciale entre les électrodes est plus élevée que celle du système de polymère. Parmi eux, les produits à couche mince sont soumis à des exigences strictes en matière de technologie, de coût et de production à grande échelle, ce qui est très difficile. Les produits à couches non minces sont les solutions de batteries les plus fiables pour les véhicules électriques.

L'avantage des systèmes à base de sulfure est que la conductivité ionique est comparable à celle des électrolytes liquides. C'est la voie technologique choisie par les entreprises japonaises et coréennes Toyota, Honda, Samsung et l'une des plus grandes entreprises chinoises. sociétés de batteries à l'état solide CATL. Cependant, les systèmes à base de sulfure en sont aux premiers stades de développement, où les contraintes environnementales et les questions de sécurité constituent les plus grands obstacles, et où le risque de ne pas être commercialisé est le plus élevé.

Malgré ces difficultés, on s'attend à ce que les batteries à l'état solide soient la clé de la densité énergétique et de la sécurité des futures batteries au lithium. Actuellement, plus de 50 entreprises manufacturières, startups et instituts de recherche universitaires du monde entier travaillent à faire progresser la technologie des batteries à l'état solide.

En Europe et aux États-Unis, le groupe BMW a investi $130 millions d'euros dans la start-up Solid Power, basée au Colorado et spécialisée dans les batteries à l'état solide, en 2022, dans le but de lancer des prototypes de voitures équipées de batteries à l'état solide d'ici à 2025 et de les produire en série d'ici à 2030.

Mercedes-Benz a conclu cette année un accord stratégique avec Factorial Energy, une start-up du Massachusetts spécialisée dans les batteries à l'état solide, afin d'investir environ $1 milliard d'euros dans la recherche et le développement des batteries à l'état solide. L'entreprise commencera à tester des prototypes en 2022 et produira de petits volumes dans les cinq ans à venir.

Volkswagen a investi $100 millions dans la startup QuantumScape, basée dans la Silicon Valley, en 2018 et $200 millions supplémentaires en 2020. Cette année, Volkswagen a annoncé qu'il utiliserait des batteries à semi-conducteurs dans ses véhicules électriques d'ici 2025.

Au Japon et en Corée du Sud, Toyota a conclu un partenariat avec le fabricant de batteries lithium-ion à l'état solide Ilika en 2008 et prévoit de lancer une voiture hybride à l'état solide d'ici 2025. Mitsubishi, Nissan et Panasonic accélèrent également leur déploiement de batteries à semi-conducteurs.

Il est entendu qu'à l'heure actuelle, Toyota détient 1331 brevets liés aux batteries à l'état solide dans le monde, ce qui la place au premier rang mondial, Panasonic 272 se classant au deuxième rang.
En Chine, Nio a annoncé une batterie à l'état solide avec une densité d'énergie au lithium de 150 Wh/kg lors du Nio Day le 9 janvier de l'année dernière, qu'elle prévoit de produire en masse au cours du quatrième trimestre de 2022.

La première génération de batteries lithium-ion à l'état solide de l'entreprise, qui ont à peu près la même énergie que les batteries lithium-ion actuelles, devrait être lancée en 2025, la deuxième génération étant attendue après 2030, a indiqué l'entreprise. En outre, la société chinoise Top 100 du lithium Des entreprises telles que Fueneng Technology, SVOLT et Ganfeng Lithium ont également annoncé des projets de batteries à l'état solide.