Pour que les voitures électriques percent vraiment, il faudra augmenter l'autonomie. La disponibilité de batteries à l'état solide pourrait bien être d'une importance décisive à cet égard.
Chaque année, le 18 février, un hommage est rendu à la batterie et à son inventeur italien Alessandro Volta (1745-1827). En 2020, le développement des batteries – au propre comme au figuré – passe à la vitesse supérieure. Après tout, en raison de la percée attendue des véhicules électriques, des exigences encore plus élevées seront imposées aux batteries.
L'intérêt pour les voitures électriques ne cesse de croître, notamment parce que leur autonomie est en hausse. Cependant, pour que les voitures électriques percent réellement, il faudra que leur autonomie soit au moins aussi grande que l'autonomie d'une voiture à moteur thermique.
Aujourd'hui, les meilleures cellules de batterie lithium-ion - à électrolyte liquide - ont une densité d'énergie d'un peu plus de 700 Wattheures par litre (Wh/l). Avec de telles cellules de batterie, une voiture électrique a théoriquement une autonomie d'environ 500 kilomètres. Cependant, cette technologie atteint progressivement ses limites :après tout, ses performances maximales sont estimées à environ 800 Wh/l (en raison des limitations des matériaux utilisés).
Les batteries à semi-conducteurs, qui contiennent un électrolyte solide (plutôt qu'un liquide), ont le potentiel de faire mieux. En combinaison avec de nouveaux développements dans les batteries et les modules, les voitures électriques peuvent ainsi atteindre une autonomie beaucoup plus grande.
L'autonomie maximale d'une voiture électrique est déterminée par l'énergie disponible des cellules de batterie lithium-ion individuelles dans la batterie ; des cellules connectées en série et en parallèle pour générer les courants et tensions élevés nécessaires à l'entraînement du moteur électrique.
Concrètement :pour permettre une autonomie de 700 kilomètres, il faut des cellules d'une densité énergétique de 1000 Wh/l (ou 500 Wh/kg). Étant donné que les cellules lithium-ion actuelles n'ont "que" une densité d'énergie de 700 Wh/l (ou 230 Wh/kg), cette densité doit être considérablement augmentée.
Comme indiqué dans les feuilles de route des batteries, des cellules de 1 000 Wh/L devraient être disponibles d'ici 2030, grâce au développement des batteries au lithium métal à l'état solide. Mais avant d'examiner le potentiel des batteries à semi-conducteurs, nous devrions certainement envisager un scénario alternatif pour obtenir (plus rapidement) un rendement énergétique (plus) élevé du bloc-batterie d'une voiture électrique. Ce scénario utilise des cellules de batterie "intelligentes".
En plus des nombreuses cellules individuelles de la batterie, le module de batterie d'une voiture contient également des composants électroniques et des capteurs pour contrôler l'utilisation de la batterie. Par exemple, pour assurer une (plus) longue durée de vie, le système de gestion de la batterie n'utilisera qu'une partie de l'énergie des cellules à tout moment, évitant ainsi d'endommager la chimie des électrodes.
En d'autres termes, l'énergie que vous pouvez utiliser pour conduire ne représente peut-être que 60 à 80 % de ce que vous transportez dans les cellules de la batterie (selon le type de voiture).
Cependant, l'utilisation de cellules de batterie « intelligentes », dotées de micro-capteurs qui surveillent en permanence l'état de ces cellules, pourrait améliorer considérablement la gestion de l'énergie de la batterie; ce qui a un impact positif sur l'autonomie des véhicules électriques.
EnergyVille – qui réunit les instituts de recherche KU Leuven, VITO, imec et UHasselt dans la recherche sur l'énergie durable et les systèmes énergétiques intelligents – travaille actuellement sur de telles cellules intelligentes. Un premier prototype est attendu dans les années à venir.
Les premières voitures électriques alimentées par des batteries à semi-conducteurs devraient arriver sur le marché au milieu de cette décennie. Toyota, par exemple, présentera un prototype lors des JO de Tokyo.
Cependant, cette technologie devra également subir une évolution :après tout, la première génération de cellules de batterie lithium-ion à l'état solide n'aura pas une densité d'énergie supérieure à l'équivalent d'un électrolyte liquide, car elles sont basées sur des électrodes actives similaires. matériaux.
Alors, pourquoi développer des batteries à semi-conducteurs, pensez-vous ? Eh bien, les batteries à semi-conducteurs permettent, entre autres, d'empiler les cellules de manière plus compacte dans la batterie - laissant simplement de la place pour plus de cellules de batterie.
De plus, les batteries à semi-conducteurs sont plus sûres. Ainsi, moins d'électronique est nécessaire pour les mesures à la périphérie du module de batterie. Et enfin, la batterie à semi-conducteurs a une plus grande marge de tension car le risque d'endommager la cellule lors de la charge ou de la décharge est beaucoup plus faible. Cela permet d'utiliser efficacement une plus grande partie de l'énergie de la cellule.
En raison de tous ces facteurs, la quantité d'énergie dans le bloc-batterie des batteries à semi-conducteurs sera plus élevée, même si la densité d'énergie de la ou des premières générations de cellules de batterie lithium-ion à semi-conducteurs est égale à - voire même légèrement inférieure à - la densité d'énergie des cellules lithium-ion humides.
Comme mentionné, le simple remplacement d'un électrolyte liquide dans une batterie lithium-ion par un électrolyte à l'état solide n'augmentera pas la densité d'énergie. Au contraire :les électrolytes solides inorganiques sous forme de poudre prennent généralement plus de place - et pèsent plus - que leur version liquide.
La vraie valeur ajoutée réside dans le fait que certains électrolytes solides restent stables même à des tensions très élevées, contrairement aux électrolytes liquides actuels. Cela signifie à son tour que des matériaux cathodiques avec une tension intrinsèque plus élevée peuvent être utilisés, ce qui entraîne une tension et une énergie de cellule plus élevées, à condition que la capacité de stockage lithium-ion reste la même.
Pour briser la barrière magique de 1000 Wh/l, nous devons nous tourner spécifiquement vers les cellules de batterie au lithium métal à l'état solide qui utilisent le lithium métal comme anode. Après tout, les anodes en lithium métal ont la densité d'énergie la plus élevée possible.
L'utilisation de lithium métal n'a pas fonctionné jusqu'à présent, car lors de la charge de la batterie, des aiguilles (ou dendrites) de lithium métal peuvent se former. Ceux-ci peuvent provoquer un court-circuit à l'intérieur de la cellule de la batterie, entraînant une décharge spontanée et rapide de la cellule de la batterie, provoquant un réchauffement très rapide de la cellule et pouvant enflammer l'électrolyte liquide. Par conséquent, le graphite est utilisé comme anode dans la batterie humide lithium-ion. Ce graphite offre une solution sûre pour la batterie lithium-ion a été découvert par Akira Yoshino, l'un des lauréats du prix Nobel de chimie l'année dernière. Son invention était la dernière étape nécessaire à la commercialisation de la batterie lithium-ion au début des années 1990.
Un autre défi consistait à trouver des électrolytes à l'état solide avec une conductivité ionique suffisamment élevée. Cette conductivité ionique indique la vitesse à laquelle les ions se déplacent dans l'électrolyte :plus la conductivité ionique est élevée, plus une batterie peut être chargée rapidement et plus la puissance que la batterie peut fournir est élevée. Dans ce domaine, entre autres, le centre de recherche de l'imec a réalisé ces dernières années des travaux de rupture avec la mise au point d'un "électrolyte nanocomposite".
Maintenant que plusieurs électrolytes à semi-conducteurs fonctionnels sont connus, la recherche s'est déplacée au cours des cinq dernières années vers l'étape suivante du développement des batteries à semi-conducteurs, à savoir l'assemblage de cellules et l'intégration de tous les composants dans une cellule de travail ; un domaine de recherche dans lequel EnergyVille joue également un rôle important. Imec a développé une plate-forme spéciale à couches minces pour ces développements, où il est possible d'examiner spécifiquement les limites de phase. Les problèmes surviennent généralement à l'interface entre deux matériaux. En déposant des films nanométriques à ces limites de phase, la résistance aux ions et aux électrons peut être considérablement améliorée
En d'autres termes :il reste encore beaucoup de travail à faire, mais il semble que les batteries à semi-conducteurs nous permettront bientôt de partir en vacances sereinement et en toute sécurité avec notre voiture électrique.
Cet article a déjà été publié sous forme d'Expert Talk sur le blog EnergyVille et a été édité par Wim Van Daele des éditeurs scientifiques de l'imec.
