Afin de stimuler davantage l'utilisation des véhicules électriques, la disponibilité de batteries à l'état solide (batteries à électrolyte solide) pourrait être cruciale. Grâce au développement des batteries à semi-conducteurs, les voitures électriques ne devraient plus être à l'avenir inférieures aux voitures à moteur thermique en termes d'autonomie.
Les premiers prototypes de voitures avec une telle batterie seront présentés plus tard cette année; les modèles commerciaux pourraient être prêts d'ici 2025. Dans cette conférence d'expert, le professeur Philippe Vereecken (imec / KU Leuven / EnergyVille) explique le développement et le potentiel de ce nouveau type de batterie.
L'intérêt pour les véhicules électriques est croissant. Les grands constructeurs automobiles ont annoncé plusieurs nouveaux modèles pour les années à venir. La conduite électrique a également le potentiel de devenir plus compétitive à partir de 2025 que les alternatives à moteur à combustion. L'autonomie de la voiture électrique ne cesse de s'améliorer. Une autonomie de 300 km sans recharge deviendra vite la norme. En d'autres termes, l'avenir de la voiture électrique s'annonce radieux. Pour poursuivre cette tendance, nous devons continuer à améliorer les performances des voitures électriques et étendre l'infrastructure pour la conduite électrique.
La voiture électrique du futur proche doit être abordable pour tous, sûre et offrir le confort d'une autonomie suffisante et de temps de recharge rapides. Une autonomie de 300 km peut être suffisante si la batterie se charge assez rapidement et qu'il y a suffisamment de bornes de recharge disponibles. Cependant, une autonomie plus longue améliorera non seulement le confort du conducteur, mais réduira également la pression sur les options de recharge rapide et la demande de bornes de recharge. En effet, avec le nombre croissant de véhicules électriques sur les routes, il est important que l'autonomie continue d'augmenter afin de ne pas surcharger la demande de bornes de recharge.
Les voitures classiques d'aujourd'hui à moteur à combustion interne nous offrent le confort d'environ 700 km d'autonomie. Un ravitaillement prend quelques minutes. Le temps de charge d'une batterie, où 15-20 est une période raisonnable, sera probablement toujours plus lent qu'un plein. La voiture à batterie peut cependant atteindre ou même dépasser l'autonomie des voitures à moteur à combustion interne. Les développements les plus importants pour y parvenir résident dans la batterie elle-même, et plus particulièrement dans la transition vers les technologies de cellules de batterie à semi-conducteurs.
Les meilleures cellules de batterie lithium-ion (LiB) ont aujourd'hui une énergie ou une densité électrique d'un peu plus de 700 wattheures par litre (Wh/l). Avec ces cellules, une voiture électrique peut théoriquement couvrir une autonomie d'environ 500 km. Cependant, la cellule LiB classique atteint progressivement sa limite et devrait stagner à environ 800 Wh/l en raison des limites pratiques des matériaux actifs. Les batteries à semi-conducteurs qui contiennent un électrolyte solide au lieu de l'électrolyte liquide dans le courant LiB peuvent dépasser cette limite. Avec le développement de la nouvelle cellule de batterie au lithium métal à l'état solide, les cellules peuvent être en mesure d'atteindre une densité E supérieure à 1000 Wh/l. Combiné avec de nouveaux développements dans les batteries et les modules de batterie, cela garantira que les voitures électriques pourront atteindre une autonomie de plus de 700 km, sans recharge entre les deux. L'électrolyte solide offre également une sécurité accrue car les solutions inflammables dans l'électrolyte liquide ne présentent plus de risque. Une voiture électrique à technologie de batterie à semi-conducteurs devrait apparaître sur le marché à partir de 2025.
L'autonomie maximale d'une voiture électrique est déterminée par l'énergie disponible dans la batterie. L'énergie de cette batterie est fournie par de nombreuses cellules de batterie lithium-ion individuelles (LiB) connectées en série et en parallèle pour atteindre les courants et tensions élevés requis par le moteur électrique.
L'énergie disponible est donc principalement déterminée par la densité d'énergie des cellules LiB. L'énergie ou la densité E nous indique la quantité d'énergie (en wattheures ou Wh) qui rentre dans le volume d'une cellule (densité E volumétrique en Wh par litre ou Wh/l) ou par poids de cellule (E gravimétrique -densité en Wh par kilogramme ou Wh/kg). Les deux sont évidemment importants pour les performances de la voiture, mais les constructeurs automobiles se penchent principalement sur la densité E volumétrique car il n'y a aucun compromis sur le volume d'une voiture. Pour atteindre la portée de 700 km, des cellules avec une densité E de 1000 Wh/L (500 Wh/kg) seront nécessaires. Les cellules LiB actuelles peuvent fournir 700 Wh/L (230 Wh/kg). Une augmentation significative de la densité d'énergie est donc nécessaire.
La trajectoire de développement prévue des cellules de batterie prévoit que des cellules de 1000 Wh/L seront disponibles d'ici 2030 grâce à l'avènement des batteries au lithium métal à l'état solide (voir ci-dessous). Cependant, nous ne devons pas nécessairement attendre 10 ans pour atteindre l'objectif de 700 km. Une alternative peut également être un rendement énergétique accru dans la batterie ou le module de batterie lui-même. En plus des nombreuses cellules individuelles dans les grandes batteries, le module de batterie d'une voiture contient des composants électroniques et des capteurs pour assurer la sécurité et contrôler l'utilisation de la batterie. Par exemple, pour assurer une longue durée de vie, le système de gestion de la batterie (BMS) n'utilisera qu'une partie de la densité d'énergie des cellules pour éviter d'endommager la chimie des électrodes, par exemple par une surcharge ou une décharge locale. L'énergie disponible pour la conduite ne représente donc peut-être que 60 à 80 % de ce que vous transportez dans les cellules de batterie, selon le type de voiture électrique. Ce phénomène est connu sous le nom de surdimensionnement de la batterie. De nouvelles innovations dans les cellules dites intelligentes peuvent améliorer la gestion énergétique des batteries et ainsi augmenter l'autonomie des véhicules électriques. Ces nouvelles cellules intelligentes aura des microcapteurs intégrés dans la cellule pour surveiller leur état de charge et leur état de santé. Au sein d'EnergyVille, nous développons un multi-réseau de capteurs avec une électronique intégrée dans la cellule pour communiquer avec le BMS du module de batterie. Le premier prototype peut être attendu dans les années à venir.
Un autre exemple sont les piles solides † Les premiers véhicules électriques dotés de cette nouvelle technologie devraient arriver sur le marché au milieu des années 2020. Toyota a déjà annoncé un prototype qui sera présenté aux Jeux Olympiques de 2020 à Tokyo. Cependant, cette première génération de cellules de batterie LiB à l'état solide n'aura pas une densité d'énergie supérieure à leur équivalent à électrolyte liquide. En effet, le LiB à l'état solide contiendra initialement des matériaux d'électrode actifs similaires, et générera donc également une énergie similaire dans la cellule. Alors, pourquoi s'embêter à développer des solides ? Eh bien, la batterie à semi-conducteurs permet des piles de cellules différentes, plus compactes, dans la batterie. Les cellules à semi-conducteurs peuvent désormais également être construites dans des arrangements bipolaires permettant des tensions plus élevées au niveau de la cellule. Cela simplifie la connexion électrique des cellules et fait ainsi de la place pour plus de cellules dans la batterie. Les LiB à semi-conducteurs sont également de nature plus sûre, ce qui signifie que moins d'électronique est nécessaire pour les mesures à la périphérie du module de batterie. Enfin, la batterie à semi-conducteurs a également une marge de tension plus grande que la LiB humide, ce qui signifie que le risque d'endommager la cellule lors de la charge ou de la décharge est beaucoup plus faible. De cette manière, une plus grande partie de l'énergie de la cellule est en outre disponible pour être utilisée. Tous ces effets réunis augmentent l'énergie disponible de la batterie pour les cellules à semi-conducteurs, même pour les cellules ayant la même densité d'énergie que celles des batteries à semi-conducteurs de première génération, qui peuvent même avoir une densité E inférieure à celle des batteries humides. Cellules LiB.
Figure :La densité d'énergie de la cellule de batterie Li-ion (LiB) a plus que triplé depuis son introduction sur le marché par Sony en 1991. Des améliorations continues dans divers composants de la LiB avec des compositions de graphite LiCoO2 ont entraîné une augmentation en moyenne 25 Wh/L par an de 1995 à 2010. L'introduction de nouveaux matériaux cathodiques actifs, tels que les oxydes métalliques de lithium à base de NiCoAl et de NiMnCo (NCA et NMC) et l'ajout progressif de silicium à l'anode en graphite ont encore augmenté la densité E rendue possible. Cependant, on s'attend à ce qu'avec les matériaux actuels, une limite pratique de 800 Wh/L pour LiB soit atteinte. Les technologies de batteries à semi-conducteurs sont nécessaires pour franchir ce plafond et poursuivre la tendance vers 1 000 Wh/L et au-delà.
En remplaçant simplement la solution d'électrolyte liquide dans le LiB humide par un électrolyte solide, aucune augmentation de la densité E ne sera obtenue en soi. Au contraire, les électrolytes inorganiques à l'état solide sous forme de poudre prennent généralement plus de place et pèsent plus que la variante liquide dans le courant LiB. En conséquence, les électrolytes à l'état solide diminueront initialement la densité d'énergie pour une cellule avec les mêmes matériaux d'électrode actifs.
Figure :Représentation schématique d'une batterie Li-ion à semi-conducteurs (SS-LIB) avec une électrode en graphite-silicium et d'une batterie à semi-conducteurs avec du lithium métallique fin comme anode.
Ci-dessus, nous avons déjà expliqué la valeur ajoutée que ce LiB à semi-conducteurs peut apporter au niveau du pack de batteries. Cependant, le LiB à semi-conducteurs peut faire encore plus. La grande valeur ajoutée réside dans le fait que certains électrolytes à l'état solide peuvent offrir une plus grande fenêtre électrochimique. En d'autres termes :ils restent stables, même à des tensions très élevées où les électrolytes liquides actuels ne le sont pas. Cela signifie que des matériaux de cathode avec une tension intrinsèque plus élevée peuvent être utilisés que ceux utilisés dans le LiB avec généralement 3,6 à 3,8 V aujourd'hui. Et une tension de cellule plus élevée fournit une énergie de cellule plus élevée, à condition que la capacité de stockage Li-ion reste la même. Par exemple, LiMn1.5Ni0.5O2 ou LMNO a un potentiel d'électrode de 4,7V et ne peut pas être utilisé avec des électrolytes liquides car ils réagissent eux-mêmes à ces tensions. Les électrolytes à l'état solide tels que le lithium-lanthane-zircone ou LLZO sont stables jusqu'à 5V et donc compatibles avec ces cathodes haute tension. Le LiB à l'état solide peut ainsi dépasser le plafond de 800Wh/L pour le LiB humide.
Cependant, pour atteindre la barre tant attendue des 1 000 Wh/l (et au-delà), nous nous tournons vers les cellules de batterie au lithium métal à l'état solide (LMB) où nous utiliserons le Saint Graal tant attendu du lithium métal comme anode. Pour des raisons de sécurité, le LiB actuel a du graphite (en combinaison avec du silicium) comme anode. Le lithium métal a la densité d'énergie la plus élevée en tant qu'anode tout en fournissant la tension la plus élevée possible pour l'anode dans la cellule. Le lithium métal n'a pas encore fonctionné car la charge de la batterie entraîne la formation d'aiguilles ou de dendrites de lithium métal, ce qui peut provoquer un court-circuit interne dans la batterie, entraînant une brusque augmentation brutale de la température dans la cellule et éventuellement même des explosions. C'était le Dr. Akira Yoshino, l'un des trois lauréats du prix Nobel de chimie l'an dernier, qui a réussi à trouver la solution à ce problème.
Cacher les ions Li entre les couches de graphite était un terrain d'entente sûr, mais au détriment de la densité d'énergie et de la tension de la cellule. Plusieurs des électrolytes solides sont résistants au lithium métallique qui pourrait désormais être réutilisé comme anodes. Par ailleurs, des batteries au lithium métal à électrolytes polymères solides sont déjà disponibles dans le commerce. Cependant, ces batteries ne fonctionnent qu'à des températures supérieures à 70°C et ne sont donc pas adaptées aux voitures électriques. La raison de la température élevée est une conductivité des ions Li+ trop faible pour ces électrolytes polymères solides. Par conséquent, la recherche sur les batteries à l'état solide s'est initialement concentrée sur la recherche d'électrolytes à l'état solide avec une conductivité ionique suffisante.
Ces dernières années, cependant, plusieurs bonnes options ont été découvertes avec une conductivité ionique qui correspond ou même dépasse celle des électrolytes liquides utilisés dans LiB aujourd'hui. Toyota est le champion aujourd'hui avec un électrolyte solide de type sulfure inorganique qui présente une conductivité ionique Li+ 3 fois supérieure à celle d'un électrolyte liquide. Un autre concurrent est LLZO, un électrolyte de type oxyde de grenat inorganique qui, cependant, a une conductivité ionique légèrement inférieure à celle des électrolytes liquides, mais a une stabilité électrochimique élevée (voir ci-dessus). Un inconvénient de ces électrolytes inorganiques est qu'ils sont extrêmement sensibles à l'humidité, ce qui complique grandement le processus de production des batteries à l'état solide. Au sein de l'imec, nous avons développé un électrolyte nanocomposite constitué d'une solution précurseur liquide qui se solidifie après son introduction dans la cellule. Cela rend le matériau parfaitement compatible avec les processus de production actuels pour les cellules Li-ion.
En effet, au cours des cinq dernières années, l'accent de la recherche sur les batteries à semi-conducteurs s'est déplacé vers l'assemblage de cellules et l'intégration de tous les composants dans une cellule de travail. L'un des problèmes est la forte réactivité des matériaux, qui provoque la formation de couches à haute impédance entre les composants fonctionnels qui entravent le fonctionnement de la cellule. Des « revêtements d'interphase artificiels » sont en cours de développement pour empêcher ces réactions. Au sein d'EnergyVille, des méthodes évolutives et rentables sont en cours de développement pour déposer ces couches minces (sub) nanométriques dans les couches poreuses épaisses qui forment les électrodes de la batterie. Ces nanorevêtements seront essentiels dans le développement futur des batteries. Et ce non seulement pour les batteries au lithium métal à l'état solide en cours de développement, mais aussi pour les améliorations de la LiB classique à électrolyte liquide. Après tout, le savoir-faire sur les électrolytes à l'état solide peut également être utilisé pour ce LiB. Qui sait, la solution pourrait éventuellement se transformer en une approche hybride où les électrolytes solides minces vont de pair avec les électrolytes liquides.
Les technologies de batteries à semi-conducteurs sont en plein développement. Ces technologies de batteries à l'état solide permettront à la voiture électrique d'égaler voire de dépasser l'autonomie d'une voiture à moteur thermique. Un premier prototype de voiture électrique avec ces cellules de batterie à semi-conducteurs sera présenté pour la première fois cette année. Des modèles commerciaux apparaîtront sur le marché à partir de 2025. De plus, les développements au niveau du bloc-batterie, tels que les cellules intelligentes avec capteurs, réduiront l'énergie effective ou utilisable du bloc-batterie ou même élimineront complètement le besoin de surdimensionner les batteries à l'avenir. La voiture électrique n'est donc pas seulement un fait, mais offre également un bel avenir, puisque la voiture électrique pourra offrir au moins le même confort que les véhicules à moteur à combustion interne.
