La technologie mature des batteries lithium-ion présente des limitations inhérentes
Depuis leur lancement en 1991, les batteries lithium-ion ont connu un succès mondial. Toutefois, ce succès ne saurait masquer leurs limitations intrinsèques en matière de sécurité, de performance, de format et de coût
La plupart des technologies lithium-ion actuelles utilisent des électrolytes liquides, à base de sels de lithium tels que LiPF6, LiBF4 ou LiClO4 dans un solvant organique. Cependant, l'interface électrolyte solide, résultant de la décomposition de l'électrolyte à l'électrode négative, limite la conductance effective. De plus, les électrolytes liquides nécessitent des membranes coûteuses pour séparer la cathode et l'anode, ainsi qu'un boîtier étanche. Par conséquent, la taille et la conception de ces batteries sont limitées. En outre, les électrolytes liquides présentent des risques pour la sécurité et la santé car ils utilisent des liquides inflammables et corrosifs. L'incident Firegate de Samsung, en particulier, a mis en lumière les risques auxquels même les grandes entreprises sont exposées lorsqu'elles utilisent des électrolytes liquides inflammables.
Les batteries lithium-ion haut de gamme actuelles peuvent atteindre une densité énergétique supérieure à 700 Wh/L au niveau de la cellule, offrant une autonomie maximale d'environ 500 km pour les véhicules électriques. L'amélioration des matériaux de cathode à haute teneur en nickel pourrait encore accroître la densité énergétique, mais les caractéristiques des matériaux actifs pourraient en constituer une limite.
Les batteries à semi-conducteurs peuvent changer la donne
L'électrolyte solide permet l'intégration de matériaux plus performants, tels que le lithium métal et les matériaux de cathode haute tension. Cependant, il a été observé que les batteries à électrolyte solide de première génération peuvent contenir des matériaux d'électrode actifs similaires, l'électrolyte liquide étant remplacé par un électrolyte solide. Dans ce cas, les batteries à électrolyte solide n'offrent pas d'avantage significatif en termes de densité énergétique par rapport aux batteries lithium-ion à électrolyte liquide.
Cependant, les batteries à électrolyte solide présentent toujours des avantages. Puisque les électrodes et l'électrolyte sont solides, ce dernier sert également de séparateur, ce qui permet de réduire le volume et le poids grâce à la suppression de certains composants (comme le séparateur et le boîtier). Elles permettent une disposition plus compacte des cellules dans la batterie. Par exemple, la configuration bipolaire permet d'obtenir une tension et une capacité plus élevées au niveau de la cellule. La connexion simplifiée libère de l'espace dans la batterie pour accueillir davantage de cellules.
De plus, l'élimination des électrolytes liquides inflammables permet d'obtenir des batteries plus sûres et plus durables, car elles résistent mieux aux variations de température et aux dommages physiques lors de leur utilisation. Les batteries à semi-conducteurs supportent un plus grand nombre de cycles de charge/décharge avant dégradation, ce qui leur assure une durée de vie plus longue. Une sécurité accrue se traduit par une réduction des composants électroniques de surveillance dans les modules/packs de batteries.
Par conséquent, même si les premières générations de batteries à l'état solide peuvent avoir une densité énergétique similaire, voire inférieure, à celle des batteries lithium-ion classiques, l'énergie disponible dans le pack de batteries peut être comparable, voire supérieure, à celle de ces dernières.
Grâce à la plus grande fenêtre électrochimique offerte par les électrolytes solides, il est possible d'utiliser des matériaux de cathode haute tension. De plus, l'anode en lithium métal à haute densité énergétique permet d'atteindre une densité énergétique supérieure à 1 000 Wh/L. Ces caractéristiques pourraient faire des batteries à l'état solide une technologie révolutionnaire.
La concurrence entre les différentes technologies rend la décision difficile
L'investissement dans plusieurs entreprises spécialisées dans les batteries à l'état solide témoigne de l'énorme potentiel de ces dernières. Cependant, les batteries à l'état solide ne reposent pas sur une technologie unique. En effet, de multiples approches technologiques sont disponibles dans l'industrie. Les électrolytes solides peuvent être globalement classés en trois catégories : organiques, inorganiques et composés. Parmi les électrolytes inorganiques, huit types courants sont considérés comme étant les électrolytes de type LYSICON, l'argyrodite, le grenat, les électrolytes de type NASICON, la pérovskite, le LiPON, l'hydrure de lithium et l'halogénure de lithium. Les électrolytes de type LYSICON et l'argyrodite appartiennent au système des sulfures, tandis que le grenat, les électrolytes de type NASICON, la pérovskite et le LiPON sont basés sur des systèmes d'oxydes.
Approche technologique des électrolytes solides. Source : IDTechEx
La course entre les systèmes polymères, à base d'oxydes et à base de sulfures reste incertaine, et il est fréquent que les fabricants de batteries testent plusieurs approches. Les systèmes polymères sont faciles à mettre en œuvre et plus proches de la commercialisation, mais leur température de fonctionnement relativement élevée, leur faible potentiel antioxydant et leur stabilité moindre constituent des défis. Les électrolytes à base de sulfures offrent des avantages tels qu'une conductivité ionique élevée, une basse température de traitement et une large fenêtre de stabilité électrochimique. Ces caractéristiques les rendent attractifs, et beaucoup les considèrent comme la meilleure option. Cependant, la complexité de leur fabrication et le risque de production de sous-produits toxiques ralentissent leur commercialisation. Les systèmes à base d'oxydes sont stables et sûrs, mais leur résistance interfaciale plus élevée et leur température de traitement élevée présentent certaines difficultés générales.
Ce rapport présente, analyse et compare en détail les technologies. Pour mieux comprendre les technologies des batteries à semi-conducteurs, les principaux acteurs, les marchés, les opportunités, les défis et plus encore, veuillez consulter le rapport IDTechEx.
