Batterie à semi-conducteurs pour véhicules électriques - état d'avancement et perspectives d'avenir
Qu'est-ce qu'une batterie à l'état solide ?
Les piles au lithium sont principalement composées de matériaux de cathode, de matériaux d'anode, d'électrolytes et de séparateurs. Il existe deux types d'électrolytes : les électrolytes liquides et les électrolytes solides. Actuellement, les batteries lithium-ion utilisent principalement des électrolytes liquides à base de solvants organiques.
À l'heure actuelle, les performances globales des piles au lithium liquide, qu'il s'agisse de piles au phosphate de fer lithié ou de piles au lithium ternaire, ont presque atteint leur limite grâce à diverses technologies, et il devient de plus en plus difficile de réaliser de nouvelles percées technologiques.
Sous les exigences d'une sécurité et d'une densité énergétique accrues, batterie à l'état solide a été introduite. Les batteries à l'état solide utilisent des électrolytes solides présentant une conductivité ionique et une stabilité élevées pour remplacer les électrolytes organiques inflammables et explosifs.
Parallèlement, en ce qui concerne les matériaux de cathode et d'anode, les piles à l'état solide peuvent continuer à utiliser le système de matériaux des piles au lithium liquide, et il y a davantage de possibilités d'amélioration. Par rapport aux piles au lithium liquide traditionnelles, les piles à l'état solide présentent les avantages d'une densité énergétique élevée, d'une grande sécurité et d'une longue durée de vie.
En fonction de la différence de teneur en électrolyte liquide dans la batterie, les batteries à l'état solide peuvent être divisées en trois types : à l'état entièrement solide, à l'état quasi-solide et à l'état semi-solide. Parmi elles, la batterie entièrement solide ne contient aucun électrolyte liquide, le pourcentage de masse de l'électrolyte liquide de la batterie quasi solide est inférieur à 5%, et le pourcentage de masse de l'électrolyte liquide de la batterie semi-solide est inférieur à 10%.
Types d'accumulateurs à semi-conducteurs ev
Au stade actuel, l'industrie des batteries à l'état solide n'est pas encore parvenue à un consensus sur l'itinéraire technique des batteries à l'état solide. En fonction des différents électrolytes, les principales batteries à l'état solide disponibles sur le marché peuvent être divisées en trois voies techniques : les polymères, les oxydes et les sulfures.
Trois grandes voies technologiques pour les batteries à l'état solide et leurs caractéristiques :
| Type d'électrolyte solide | Conductivité ionique | Avantages | Inconvénients | Orientation de la recherche |
|---|---|---|---|---|
| Électrolyte solide polymère | Température ambiante : 10-7~10-5S/cm ; 65-78℃ : 10-4S/cm | Bonne flexibilité, préparation facile à grande échelle, faible module de cisaillement du film, pas de réaction avec le lithium métal. | Faible conductivité ionique, faible tension d'oxydation (<4V) | Mélanger, copolymériser ou réticuler le PEO avec d'autres matériaux pour former un système hybride organique-inorganique afin d'améliorer les performances. |
| Électrolyte solide d'oxyde | 10-6~10-3S/cm | Stabilité chimique et électrochimique élevée, bonnes propriétés mécaniques, potentiel d'oxydation électrochimique élevé | Mauvais contact avec l'interface | Améliorer la conductivité électrique : remplacer les éléments ou les revêtir du même type d'éléments hétérovalents. |
| Électrolyte solide sulfuré | 10-7~10-2S/cm | Conductivité électrique élevée (comparable à celle d'un électrolyte liquide), bonnes propriétés mécaniques, faible impédance des joints de grains. | Facile à oxyder, sensible à l'humidité | Amélioration de la stabilité de l'électrolyte, réduction des coûts de production, dopage des éléments pour un effet synergique de chaque élément. |
- Polymère
Parmi les trois itinéraires techniques, le polymère est le premier à promouvoir l'application commerciale, mais il n'a pas encore formé une tendance. L'avantage du polymère est qu'il est facile à traiter, compatible avec l'équipement de production existant et le processus de l'électrolyte liquide, qu'il a de bonnes propriétés mécaniques et qu'il est relativement souple. Mais ses inconvénients sont également fatals.
État solide batterie lithium-polymère doit être chargé et déchargé normalement à une température élevée de 60℃, et le polymère lui-même a une mauvaise stabilité chimique, ce qui ne permet pas de l'appliquer à des produits de la catégorie batterie haute tension les matériaux de cathode (tels que le cobaltate de lithium, le ternaire à haute teneur en nickel, etc.) En outre, la sécurité thermique des polymères n'est pas très bonne et un incendie, voire une combustion, peut se produire à des températures élevées.
L'Europe est la première région à promouvoir l'industrialisation des batteries polymères à l'état solide, mais actuellement, l'Europe se tourne progressivement vers l'investissement. De célèbres constructeurs automobiles européens ont investi à plusieurs reprises dans des entreprises mondiales de batteries. Volkswagen, BMW, Mercedes-Benz, etc. ont tous investi dans des start-ups correspondantes afin d'assurer la compétitivité de la prochaine génération de batteries à l'état solide.
- Sulfure
Le Japon et la Corée du Sud se sont engagés dans la voie du sulfure. Le sulfure a la conductivité la plus élevée parmi les trois systèmes de matériaux et possède une large fenêtre de stabilité électrochimique (supérieure à 5V). Cependant, la stabilité thermodynamique des sulfures est très faible, et le maintien d'une stabilité élevée est un problème majeur. En outre, les sulfures ne peuvent toujours pas éviter la formation de dendrites de lithium.
Au niveau de la production, le sulfure réagit facilement avec l'eau et l'oxygène de l'air pour produire du sulfure d'hydrogène, un gaz hautement toxique, et le processus de préparation des batteries solides au sulfure est relativement compliqué. En général, le sulfure a le plus grand potentiel parmi toutes les batteries à l'état solide, et de nombreuses entreprises leaders dans le domaine des batteries d'énergie (Toyota, Honda, LG, etc.) l'ont choisi comme principale voie technologique.
- Oxyde
À l'heure actuelle, la Chine se concentre sur la voie de l'oxyde. L'oxyde a une bonne conductivité et stabilité, une stabilité thermique jusqu'à 1000℃, une bonne stabilité mécanique et une bonne stabilité électrochimique. Cependant, par rapport aux sulfures, la conductivité des oxydes est encore faible, ce qui fait que les performances des batteries à l'état solide à l'oxyde rencontrent une série de problèmes tels qu'une capacité et un taux de performance limités.
En outre, les caractéristiques de dureté des oxydes conduisent à des batteries à l'état solide composées d'oxydes, qui présenteront une porosité très élevée, et ces pores ne peuvent pas conduire le lithium.
Par conséquent, la batterie à oxyde solide actuellement développée en Chine va en fait dans le sens d'un mélange solide-liquide, avec à la fois la couche d'électrolyte solide de l'oxyde et l'infiltration de l'électrolyte, qui peut remplir les pores et lui permettre d'avoir un canal complet de conduction du lithium.
Un certain nombre d'entreprises chinoises spécialisées dans les batteries à l'état solide (Beijing Welion, Jiangsu Qingtao, Ningbo Ganfeng et Taiwan Huineng) ont choisi la voie de la technologie de mélange solide-liquide basée sur les matériaux d'oxyde.
État d'avancement du développement de la batterie à semi-conducteurs ev
Les batteries semi-solides chinoises ont atteint le niveau le plus élevé de l'industrie, et les batteries tout-solide doivent encore percer. Étant donné que les problèmes techniques et de processus des piles à l'état solide n'ont pas été complètement résolus, les entreprises chinoises de batteries choisissent généralement la voie du développement progressif "du liquide au semi-solide, puis au tout-solide".
Les constructeurs automobiles chinois coopèrent activement avec les fabricants de batteries à l'état solide, comme NIO qui coopère avec Welion New Energy, BAIC, SAIC et GAC qui investissent dans Qingtao Energy, etc. L'arrivée des constructeurs automobiles offre aux entreprises de batteries de multiples garanties en termes de capital, de technologie et de clients, et accélère la commercialisation des batteries semi-solides.
À l'heure actuelle, la technologie des batteries semi-solides de nombreuses entreprises chinoises de batteries a atteint le niveau de pointe international.
Le Japon a planifié et conçu les batteries à l'état solide plus tôt, et occupe actuellement une position de leader technologique à l'échelle mondiale. D'un point de vue mondial, le Japon, la Corée du Sud et d'autres pays disposent de fortes capacités d'innovation et de développement en matière de batteries d'énergie.
Entre 2000 et la fin mars 2022, en termes de nombre de brevets liés aux batteries à semi-conducteurs dans le monde, la société sud-coréenne Samsung Electronics se classe au quatrième rang mondial, les cinq autres étant des entreprises automobiles japonaises, parmi lesquelles Toyota Motor (Toyota Motor) occupe la première place, avec 1331 brevets connus, soit trois fois le nombre de brevets de la deuxième place.
Toyota mène des recherches sur les batteries à électrolyte solide depuis les années 1990 et dispose d'un large éventail de brevets d'application, allant de la structure de la batterie elle-même aux matériaux et aux processus de fabrication. De 2016 à 2020, le nombre de brevets de Toyota a augmenté d'environ 40%, et le Japon est devenu le pays qui détient le plus grand nombre de brevets sur la technologie des batteries à électrolyte solide.
Les perspectives d'industrialisation des batteries semi-solides sont prometteuses. Par rapport aux batteries liquides, le système de matériaux des batteries semi-solides a moins changé, et les séparateurs et les électrolytes liquides sont toujours utilisés. En réduisant la teneur en électrolyte liquide à l'intérieur de la batterie, l'énergie spécifique et la sécurité de la batterie peuvent être améliorées dans une certaine mesure.
La plupart des méthodes de préparation suivent la technologie et l'équipement traditionnels des batteries lithium-ion. Grâce à la maturité de la chaîne industrielle chinoise et à la forte volonté d'utiliser les nouvelles technologies, le processus d'industrialisation des batteries à l'état solide ev de la Chine est relativement rapide.
La production de masse de batteries à l'état solide est difficile à réaliser à court terme. D'une part, il reste des difficultés techniques à surmonter dans les batteries à semi-conducteurs. Par exemple, la conductivité ionique des électrolytes solides est beaucoup plus faible que celle des électrolytes liquides, ce qui entraîne une augmentation significative de la résistance interne de la batterie, une mauvaise performance du cycle de la batterie et une mauvaise performance du taux.
D'autre part, le coût élevé limite fortement la commercialisation des batteries à l'état solide. En outre, l'industrie des piles à l'état solide ne dispose pas encore des conditions de base pour une production à grande échelle :
- Les équipements liés aux batteries à semi-conducteurs et les matières premières essentielles n'ont pas encore été mis à l'échelle ;
- Il n'existe pas encore de système normalisé pour les batteries à l'état solide à l'échelle mondiale ;
- Les entreprises de véhicules électriques de premier plan au niveau mondial n'ont pas procédé à l'essai et à la vérification de l'adéquation entre les batteries à semi-conducteurs et les véhicules complets.
Perspectives de l'industrie des batteries à semi-conducteurs pour véhicules électriques
L'énorme potentiel de marché des batteries à l'état solide ev
Les piles à l'état solide présentent des avantages incomparables par rapport aux piles liquides en termes de densité énergétique et de sécurité. La percée de la technologie des piles à l'état solide et l'amélioration de la maturité des produits permettent non seulement de répondre à la demande du marché en matière de performances élevées, de sécurité et de durabilité, mais aussi d'accroître la confiance du marché des capitaux dans ce secteur.
Grâce à l'optimisme de l'industrie et à l'organisation multipartite, l'industrie des piles à l'état solide devrait connaître un développement rapide. Les agences compétentes prédisent le marché futur des batteries à l'état solide, et 2023 devrait être la première année des batteries semi-solides, qui devraient initialement prendre de l'ampleur d'ici 2026.
Selon des informations publiques, de nombreux constructeurs de voitures à énergie nouvelle dans le monde ont annoncé qu'ils commenceraient à charger des batteries semi-solides en petits lots en 2023. Les grands constructeurs automobiles mondiaux tels que BMW, Mercedes-Benz, Volkswagen et Toyota prévoient tous de lancer des véhicules électriques équipés de batteries à l'état solide vers 2025.
Les constructeurs automobiles tels que Deepal, immotors, GAC Aion et Hiphi prévoient généralement d'installer des batteries semi-solides dans les véhicules d'ici 2025. Avec le développement technologique des batteries semi-solides et la demande croissante de véhicules électriques, le taux de pénétration du marché des batteries semi-solides devrait être proche de 5% en 2026.
Nouvelles possibilités industrielles offertes par la batterie à l'état solide ev
Le développement de la batterie à l'état solide ev peut avoir un certain impact sur la chaîne industrielle existante et sur l'ensemble du système industriel, mais il offre également de nouvelles possibilités et un nouvel espace de développement pour les industries connexes.
- Détection et évaluation : En raison des différentes caractéristiques des batteries à l'état solide, de nouvelles méthodes de détection et de nouveaux équipements doivent être développés pour évaluer les performances, la sécurité et la stabilité des batteries.
- Matériel de production : Le processus de production de la batterie à l'état solide ev est différent de celui des batteries à liquide traditionnelles, et il est donc nécessaire de développer et d'améliorer l'équipement de production correspondant.
- Efficacité de la production : Au cours du processus de production d'une batterie à l'état solide, il existe des différences de température, de pression, etc. par rapport aux batteries liquides. qui peuvent avoir un impact sur l'efficacité de la production et la consommation d'énergie.
- Évolution du système industriel : L'industrie traditionnelle de fabrication de batteries doit se transformer et s'adapter à la tendance de développement des batteries à électrolyte solide. Dans le même temps, l'application de l'ev solid state battery stimulera le développement de chaînes industrielles connexes, telles que les fournisseurs de matériaux, les fabricants d'équipements, les intégrateurs de systèmes, etc.
L'impact de la technologie des batteries à l'état solide sur l'industrie des véhicules électriques
À l'heure actuelle, les constructeurs automobiles de milieu et de bas de gamme sont plus enclins à utiliser des batteries liquides traditionnelles. D'une part, le coût des batteries à l'état solide est encore élevé, ce qui limite leur application sur le marché des voitures de milieu et de bas de gamme.
Les voitures de milieu et de bas de gamme sont généralement axées sur la rentabilité et la compétitivité des prix, de sorte que pour ces constructeurs automobiles, l'adoption de la technologie des batteries à électrolyte solide peut augmenter le coût des produits, affectant ainsi la compétitivité du marché. D'autre part, la technologie des batteries à l'état solide est relativement nouvelle par rapport aux batteries traditionnelles à liquide, et sa fiabilité et sa stabilité techniques doivent encore être vérifiées.
Les constructeurs automobiles de milieu et de bas de gamme sont plus enclins à adopter des technologies éprouvées et relativement matures afin de réduire les risques techniques. Les constructeurs automobiles haut de gamme adopteront plus rapidement la technologie des batteries à l'état solide. Par rapport aux voitures d'entrée et de milieu de gamme, les consommateurs du marché des voitures haut de gamme accordent plus d'attention à l'innovation technologique et au contenu technologique.
La technologie des batteries à l'état solide présente les avantages d'une densité énergétique élevée, de la sécurité et d'une charge rapide, ce qui correspond mieux à la demande de performances élevées du marché automobile haut de gamme. Il convient de noter qu'avec le développement continu de la technologie des batteries à l'état solide et la poursuite de la réduction des coûts, on s'attend à ce qu'elle soit également promue sur le marché des voitures bas de gamme et de milieu de gamme.
Avec la maturité de la technologie et l'expansion de l'échelle commerciale, la technologie des batteries à l'état solide devrait avoir un impact profond sur l'ensemble de l'industrie automobile à l'avenir.
