Technologie de batterie à semi-conducteurs pour les voitures électriques : des défis nous attendent

L'expression "ce qu'il y a sous le capot" atteint rapidement l'obsolescence. Pour les voitures à combustion interne, le moteur est souvent le facteur le plus important dans les performances globales de la voiture. Mais aujourd'hui, avec l'arrivée des véhicules électriques au premier plan, cette question est sans objet, et pas seulement parce que ce qui se trouve généralement sous leurs capots est une variété de composants non traditionnels et peut-être un peu de stockage.

Pour les consommateurs d'aujourd'hui qui envisagent l'achat d'un véhicule électrique, le composant le plus important est la batterie. Aujourd'hui, tous les véhicules électriques grand public s'appuient sur des batteries lithium-ion pour alimenter les moteurs électriques qui les font fonctionner. (Bien que la chimie soit parfois différente, le lithium reste l'élément clé.) Ces batteries sont grosses et lourdes, occupant souvent tout le plancher de la voiture ; certains engloutissent même des parties du coffre et du tunnel de transmission.

Les batteries d'aujourd'hui sont également sensibles aux températures extrêmes, se chargent toujours lentement par rapport aux remplissages de gaz, se dégradent avec le temps et peuvent se transformer en enfers d'une intensité terrifiante. Bien que la conception des batteries lithium-ion se soit beaucoup améliorée ces dernières années (rendant les cellules individuelles beaucoup moins explosives), leur structure fondamentale signifie que le feu sera toujours un risque.

Mais il y a un nouveau type de batterie en développement qui pourrait révolutionner les performances des VE, résultant en des packs qui offrent plus d'énergie à un poids réduit et avec moins de risque d'explosion. On les appelle des batteries à semi-conducteurs, et bien qu'elles aient un potentiel considérable, il reste encore un certain nombre d'obstacles à surmonter avant leur mise sur le marché.

Pour comprendre ce qui différencie les batteries à semi-conducteurs, nous devrons être un peu techniques. Alors attachez votre ceinture, mais nous essaierons de garder cette lumière.

Presque toutes les batteries, y compris les batteries lithium-ion traditionnelles et les batteries à semi-conducteurs (qui utilisent également le lithium-ion comme chimie de base), partagent la même architecture de base. D'un côté, il y a la cathode, qui sert de borne positive lors de la décharge. De l'autre côté vit l'anode, qui est la borne négative. Ce qui se passe en interne varie en fonction du type de batterie, mais en général, une réaction provoque le passage d'électrons d'un côté à l'autre, créant un circuit et alimentant votre téléphone, votre montre, votre voiture ou autre.

Les batteries lithium-ion de votre smartphone ou de votre véhicule électrique sont conçues pour être aussi petites que possible, de sorte que l'anode et la cathode sont prises en sandwich l'une à côté de l'autre, parfois même enroulées l'une autour de l'autre dans le cas de batteries cylindriques. Laisser ces deux composants se toucher provoquerait un court-circuit électrique, ce qui est une très mauvaise nouvelle. Donc, pour garder les choses séparées, une membrane appelée séparateur est prise en sandwich entre les deux. Il s'agit généralement d'un film plastique fin.

Mais pour que la batterie fonctionne, les ions doivent circuler de l'anode à la cathode, ou vice versa, selon que la batterie fournit de l'énergie ou qu'elle est rechargée. Comment les faire passer à travers un séparateur en plastique ? Vous utilisez une solution d'électrolyte liquide et assurez-vous que le séparateur est suffisamment poreux pour lui permettre de s'écouler.

Dans une batterie à semi-conducteurs, c'est conceptuellement la même structure de base : anode et cathode avec un séparateur entre les deux. Cependant, dans ce cas, le séparateur est l'électrolyte, un matériau solide, souvent en céramique, qui permet la circulation directe des ions.

Cela ressemble à un changement mineur, mais il a d'énormes implications, à la fois positives et négatives. Avant d'examiner les défis, passons en revue certains avantages de l'état solide.

La densité d'énergie d'une batterie est la quantité d'électricité réelle qu'elle peut produire pour un poids ou un volume donné. Ceci est essentiel car une batterie avec une densité plus élevée signifie moins de poids, ce qui pourrait en fait augmenter la portée d'un VE même si la sortie électrique de la batterie reste la même.

"Au fur et à mesure que vous vous dirigez vers les batteries à semi-conducteurs, la raison pour laquelle elles sont si utiles et la raison pour laquelle vous en tirez cet avantage de surperformance est qu'elles permettent l'utilisation d'anodes à densité d'énergie plus élevée", a déclaré Rory McNulty, co-auteur du rapport sur les batteries à semi-conducteurs et au lithium métal de Benchmark Mineral Intelligence. McNulty dit que cette augmentation pourrait signifier des batteries trois fois plus denses en énergie que les cellules lithium-ion d'aujourd'hui.

Pour mettre cela en perspective, en moyenne, une batterie de 80 kilowattheures dans un véhicule électrique pèse aujourd'hui environ 1 000 livres. À trois fois la densité, un pack à semi-conducteurs de 80 kWh ne pèserait que 333 livres. Moins de poids dans un VE signifie plus d'autonomie.

"De manière générale, les batteries à semi-conducteurs, en fonction de la finesse de l'électrolyte, devraient pouvoir se recharger beaucoup plus rapidement que les batteries lithium-ion [à électrolyte liquide d'aujourd'hui]. Sans les problèmes de sécurité", a déclaré McNulty.

Les projections spécifiques pour les batteries à semi-conducteurs sont partout, mais de nombreuses startups à semi-conducteurs estiment une charge complète en environ 10 à 15 minutes. Une charge complète dans les batteries lithium-ion typiques d'aujourd'hui prend facilement une heure ou plus avec un chargeur rapide.

Dans des conditions normales, un VE équipé de batteries lithium-ion est parfaitement sécuritaire. Cependant, si une batterie commence à devenir trop chaude en raison de dommages ou d'une charge incorrecte, elle peut déclencher une réaction en chaîne. Ces électrolytes liquides qui remplissent les batteries ? Eh bien, ils sont très inflammables.

"Lorsqu'une batterie entre dans ce qu'on appelle un emballement thermique, vous obtenez des réactions avec ce liquide", a déclaré McNulty. "Ces réactions en chaîne génèrent beaucoup de chaleur, ce qui accélère encore les réactions et provoque un incendie."

Avec les batteries à semi-conducteurs, il n'y a pas d'électrolytes liquides, donc même lorsque vous chargez à des vitesses incroyables, le risque d'incendie reste faible.

La construction d'une batterie lithium-ion peut être un long processus. Une fois la cellule construite, il y a une phase de remplissage et de conditionnement où l'électrolyte liquide est appliqué. "Vous chargez et déchargez doucement, doucement la batterie, permettant aux électrodes de former leur revêtement protecteur, presque comme une préparation pour que la batterie entre dans sa vie normale", a déclaré McNulty. "Maintenant, avec un séparateur à semi-conducteurs, vous n'avez plus besoin de ces étapes, vous supprimez donc jusqu'à trois semaines de temps de traitement de votre chaîne de fabrication."

À une époque de fabrication rapide et de logistique d'approvisionnement juste à temps, retirer trois semaines du processus de fabrication global d'une voiture serait énorme.

Tout cela sonne bien, et il n'est pas étonnant qu'il y ait des dizaines de startups qui travaillent à la mise sur le marché de batteries à semi-conducteurs, dont beaucoup avec un financement important des principaux équipementiers et des projections optimistes de lancements de produits d'ici 2025. Cela peut cependant être optimiste. Examinons certains des obstacles.

Bien que les composants internes des batteries varient en fonction de la construction, le lithium est un facteur clé dans la plupart. À l'échelle mondiale, les prix du lithium ont triplé au cours de la seule dernière année, et ce malgré le triplement de la production mondiale de lithium au cours des cinq dernières années seulement. Il y a, tout simplement, une pénurie mondiale de ce genre de choses.

Le problème est que les batteries à semi-conducteurs pourraient en fait utiliser encore plus de lithium que les packs lithium-ion actuels. Vous souvenez-vous des anodes à haute densité mentionnées ci-dessus ? Ils seront probablement constitués de lithium métal pur. "Maintenant, le lithium métal peut augmenter jusqu'à trois fois l'énergie spécifique de votre batterie, mais il se présente sous forme de lithium pur, ce qui signifie que l'intensité du lithium est également augmentée", a déclaré McNulty, notant que cela exacerbera la pénurie de lithium.

"Cela représentera entre cinq et dix fois la quantité de lithium pour la même batterie", a déclaré le Dr Jordan Lindsay, responsable de la recherche et de l'innovation chez Minviro, une société de conseil britannique qui quantifie les impacts environnementaux de la production de matières premières. "Donc, si vous pouvez clouer le recyclage pour cela, cool. Mais sinon, nous prévoyons déjà des difficultés avec les chaînes d'approvisionnement pour le lithium-ion normal, donc je n'ai aucune idée de la façon dont nous approvisionnons l'état solide."

Selon Lindsay, il n'existe actuellement aucun moyen efficace de recycler les packs à semi-conducteurs.

"L'un des problèmes avec l'état solide est que nous allons devoir améliorer le recyclage du lithium. Actuellement, avec les batteries lithium-ion, vous pouvez assez bien recycler le nickel, le cobalt, le manganèse, l'aluminium et le cuivre des composants de la cellule", a déclaré Lindsay. "Mais le graphite et le lithium sont le problème. Ils sont le point d'achoppement du recyclage en gros des batteries en boucle fermée. Ils en travaillent toujours sur l'efficacité."

Le recyclage pourrait aider à résoudre les problèmes de la chaîne d'approvisionnement, tout en atténuant les préoccupations environnementales, mais Lindsay craint qu'il n'arrive pas assez tôt pour remédier à la situation : « Il y a cette énorme criticité sur les matériaux, et je ne pense pas qu'elle ait été traitée aussi sérieusement qu'elle pourrait l'être.

Il a poursuivi : "Je pense qu'il y a ce genre de bousculade pour essayer d'aller de l'avant et le côté industriel du recyclage des batteries parce que c'est vraiment important en termes d'ACV [analyse du cycle de vie], pas nécessairement un impact environnemental, car les processus de recyclage sont assez énergivores en eux-mêmes, mais en termes de réduction de la pression sur les chaînes d'approvisionnement. C'est essentiel. Nous ne pourrons pas fabriquer toutes ces batteries sans recyclage."

Rappel rapide : dans les batteries à semi-conducteurs, l'anode et la cathode sont séparées par un électrolyte solide. Cela signifie des batteries plus petites et plus denses et du lithium pur de densité plus élevée pour l'une des électrodes.

Jusqu'ici, tout va bien, non ? Eh bien, les chercheurs ont repéré un problème, qui affecte également les batteries lithium-ion qui alimentent les véhicules électriques d'aujourd'hui, en particulier lorsqu'elles sont chargées à plusieurs reprises dans des stations de charge rapide à haute puissance. Au fur et à mesure que ces batteries vieillissent, la forme de l'électrode au lithium a changé, se développant de manière étrange et organique. Le lithium forme ce qu'on appelle des dendrites, des structures ramifiées de métal qui se développent littéralement dans l'électrolyte solide.

Finalement, ces dendrites deviennent suffisamment longues pour atteindre l'autre côté de l'électrolyte, court-circuitant la batterie. Encore une fois, c'est une mauvaise nouvelle. Des recherches récentes du MIT ont déterminé la forme des dendrites en raison de contraintes internes dans la construction de la batterie. En appliquant d'autres contraintes physiques, ces chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient inhiber la croissance des dendrites. Cependant, comme ces résultats sont tout juste sortis du laboratoire, il pourrait s'écouler des années avant qu'une solution puisse être appliquée à la fabrication de masse.

Peut-être que le plus gros inconvénient de tous est le coût. Les batteries à semi-conducteurs nécessitent non seulement des densités plus élevées de métaux rares, mais leur technique de construction est totalement différente de celle des cellules lithium-ion d'aujourd'hui. Cela signifie de nouvelles usines, de nouvelles procédures et de nouveaux avantages de la fabrication à grande échelle qui sont encore en cours d'invention.

Il est cependant possible que ces batteries soient encore moins chères, à terme. "La première commercialisation d'une batterie à semi-conducteurs ne sera pas compétitive en termes de coûts avec les batteries lithium-ion [d'aujourd'hui] ; elle entraînera un surcoût", a déclaré McNulty. "Mais ces avantages en matière de sécurité et d'autonomie et ce genre de choses compenseraient probablement cela. C'est avec le temps, au cours des cinq à 10 premières années de commercialisation, qu'il commencera à devenir compétitif au fur et à mesure que la technologie s'améliorera."

Certains fabricants produiraient des batteries à semi-conducteurs dans les voitures au cours des prochaines années, mais il est clair que ce sera à une échelle extrêmement limitée pour commencer.

"Donc, si nous parlons de production de masse, je dirais que 2030 est une suggestion optimiste quant au moment où les premières batteries à semi-conducteurs commenceront à être achetées à grande échelle par les consommateurs", a déclaré McNulty. "Et ces premiers véhicules seront vraiment des systèmes de banc d'essai qui coûteront très cher. Ils seront très performants, mais je pense que l'idée de ces véhicules serait de s'habituer à la technologie, et je ne pense pas qu'il y aura envie d'en construire des quantités importantes jusqu'à ce qu'ils maîtrisent en quelque sorte à quoi ressemble la technologie dans l'application naturelle des VE. "

McNulty dit que 2032 à 2035 est une estimation plus réaliste du moment où nous pourrions voir des véhicules électriques à batterie à semi-conducteurs en production de masse. Cela donne aux développeurs de batteries environ une décennie pour comprendre les problèmes de recyclage et de chaîne d'approvisionnement. Mais Lindsay de Minviro est optimiste sur le fait que nous pourrions également être plus économes avec la construction de notre batterie de voiture d'ici là : "Cela semble un peu idiot et simple, mais réduire de moitié la taille de la batterie réduirait les charges de contrainte", a-t-il déclaré. "Je pense que la conversation doit porter sur la réduction de moitié de la taille de la batterie, en faisant des batteries qui fonctionnent comme les gens en ont besoin."

Surmonter votre anxiété de portée, alors, pourrait être la clé finale pour faire fonctionner les batteries à semi-conducteurs.