Les batteries à l'état solide (BES) revêtent une importance stratégique dans de nombreux pays et régions. Par exemple, l'Allemagne a alloué 1 milliard d'euros au soutien d'un consortium visant à produire des cellules de batterie pour véhicules électriques et prévoit de financer un centre de recherche pour développer les batteries à l'état solide de nouvelle génération. Au Royaume-Uni, le projet collaboratif « PowerDrive Line », d'une durée de 30 mois, développe une batterie à l'état solide au lithium pour véhicules électriques (VE) et véhicules hybrides rechargeables (VHR) et met en place une ligne pilote pour cette technologie de cellules BES. Le gouvernement japonais a créé le Consortium pour la technologie et l'évaluation des batteries lithium-ion (Libtec) afin de dynamiser la recherche sur les batteries à l'état solide. En Corée du Sud, les trois principaux fabricants de batteries – SK Innovation, LG Chem et Samsung SDI – encouragent la recherche conjointe dans le domaine des batteries de nouvelle génération, notamment les batteries à l'état solide. Aux États-Unis, les entreprises spécialisées dans les BES ont attiré des investissements de fournisseurs mondiaux de batteries, de constructeurs automobiles et de sociétés de capital-risque, et progressent de manière constante.
En remplaçant l'électrolyte liquide organique inflammable par un électrolyte solide (ES), les batteries à électrolyte solide (BES) offrent une sécurité et une résistance aux chocs accrues. De plus, l'ES peut être associé à une anode en lithium métal et à une cathode haute tension, ce qui permet d'augmenter la densité énergétique. Les caractéristiques spécifiques des BES permettent leur connexion en série et en parallèle au sein d'une même cellule, offrant ainsi une grande flexibilité en matière de conception d'emballage. Enfin, cette conception innovante d'emballage optimise l'assemblage, contribuant ainsi à l'augmentation de la densité énergétique et à la réduction des coûts du système.
Ces propositions de valeur uniques ont suscité l'intérêt des chercheurs universitaires, des développeurs de batteries, des constructeurs automobiles, des investisseurs et des fournisseurs de matériaux et de composants pour ULS. Par ailleurs, la fabrication de batteries lithium-ion conventionnelles a longtemps été dominée par les pays d'Asie de l'Est, notamment le Japon, la Chine et la Corée du Sud. Cependant, une évolution significative est en cours : les États-Unis et plusieurs pays européens sont désormais en concurrence, recentrant ainsi la création de valeur hors d'Asie de l'Est et privilégiant l'implantation d'usines de fabrication de batteries plus proches des marchés d'application.
Ce paysage en pleine évolution est marqué par l'exploration de nouveaux matériaux et composants, ainsi que par la réévaluation des procédés de fabrication. Tout cela offre la possibilité de réorganiser la chaîne d'approvisionnement des batteries. D'un point de vue à la fois technologique et commercial, le développement des batteries à usage unique (SSB) s'est imposé comme un élément clé de la stratégie relative aux batteries de nouvelle génération. Il est devenu un enjeu mondial, caractérisé par des intérêts régionaux et un soutien gouvernemental important. De nouvelles opportunités se présenteront grâce aux nouveaux matériaux, composants, systèmes, méthodes de fabrication et expertises techniques.
Principaux acteurs mondiaux du secteur des batteries à semi-conducteurs. Source : IDTechEx
Commercialisation des boissons sucrées
Les batteries à l'état solide (BES) à base de polymères sont déjà disponibles sur le marché, comme dans le cas de la Daimler eCitaro. Les BES semi-hybrides sont en phase de test, avec des essais en cours sur des échantillons destinés aux constructeurs automobiles (OEM). Parallèlement, les batteries céramiques à l'état solide (ASSB) sont encore en développement. La plupart des ASSB disponibles sur le marché, et celles qui seront bientôt commercialisées, sont des batteries hybrides semi-solides, c'est-à-dire qu'elles peuvent contenir de petites quantités de liquide ou de gel. À proprement parler, toutes ne sont pas de véritables batteries à l'état solide (ASSB). Du point de vue de l'utilisateur final, la technologie spécifique utilisée importe peu, pourvu que les batteries offrent les performances requises. Par conséquent, les technologies semi-solides peuvent constituer une transition idéale entre la technologie des BES à base de polymères déjà disponible sur le marché et la future technologie des BES à base de sulfures. À mesure que ces technologies gagneront en maturité, la transition vers les BES se fera en douceur.
Feuille de route du développement de la technologie des batteries SSB. Source : IDTechEx
L'industrie automobile, qui représente le plus grand marché potentiel, est la cible de la quasi-totalité des fournisseurs de batteries à simple bobinage. Parallèlement, les applications spécialisées exigeant une plus grande tolérance aux contraintes et moins sensibles aux prix constituent sans doute les secteurs les plus prometteurs pour ces batteries.
Taille potentielle du marché des batteries à semi-conducteurs. Source : IDTechEx
De nouveaux efforts sont déployés pour commercialiser les batteries sodium-états.
L'annonce de Toyota a une fois de plus souligné l'importance du développement continu des matériaux. Il est donc nécessaire de poursuivre les recherches sur les matériaux, l'optimisation des dispositifs et l'étude des mécanismes de dégradation des batteries. Parallèlement, le développement doit également se concentrer sur la validation des cellules et la conception des systèmes. On peut citer comme exemples les systèmes de packs de cellules (CTP), les systèmes de gestion thermique et les conceptions mécaniques.
Le concept CTP (Combined Power Transport) n'est pas nouveau et se retrouve dans des conceptions à base de batteries lithium-ion, comme la batterie pour lames de BYD et les systèmes CTP de CATL. Le concept CTP gagnera en importance grâce à la sécurité accrue et aux capacités d'empilage bipolaire des cellules SSB (Single-Steer Battery). Cette sécurité renforcée des batteries permet des conceptions de packs plus flexibles et une réduction du nombre de composants électroniques dans les modules/packs de batteries. Par exemple, la conception bipolaire autorise un empilage plus compact et une densité énergétique plus élevée, ce qui peut potentiellement améliorer la densité énergétique globale tout en maintenant des coûts système comparables.
Le système de gestion thermique est indispensable aux batteries sodium-état, mais il peut fonctionner en ciblant différentes zones de fonctionnement sûres. Par conséquent, la température idéale requise pour les batteries sodium-état peut différer de celle des batteries lithium-ion.
De plus, des efforts supplémentaires doivent être déployés en matière d'utilisation des équipements, d'implantation des usines, de mise en place de la chaîne d'approvisionnement et d'amélioration des performances de production.
Auteur : Dr Xiaoxi He, directeur de recherche chez IDTechEx
