Pour que les voitures électriques s'imposent pleinement, il est essentiel d'améliorer leur autonomie. Les batteries à l'état solide pourraient jouer un rôle décisif dans cette évolution.
Chaque année, le 18 février, on rend hommage à la batterie et à son inventeur italien Alessandro Volta (1745-1827). En 2020, le développement des batteries s'accélère, porté par l'essor attendu des véhicules électriques (VE) qui imposent des exigences accrues en performance.
L'intérêt pour les VE croît grâce à l'augmentation de leur autonomie. Cependant, pour rivaliser avec les véhicules thermiques, elle doit atteindre des niveaux équivalents.
Aujourd'hui, les meilleures cellules lithium-ion à électrolyte liquide affichent une densité d'énergie d'environ 700 Wh/l. Cela permet théoriquement une autonomie de 500 km, mais cette technologie approche ses limites physiques, estimées à 800 Wh/l.
Les batteries à semi-conducteurs, avec un électrolyte solide, offrent un potentiel supérieur. Associées à des innovations en modules, elles pourraient propulser l'autonomie des VE bien au-delà.
L'autonomie maximale d'un VE dépend de la densité énergétique des cellules lithium-ion, assemblées en série et en parallèle pour alimenter le moteur.
Pour 700 km d'autonomie, il faut des cellules à 1000 Wh/l (ou 500 Wh/kg). Les actuelles, à 700 Wh/l (230 Wh/kg), nécessitent donc une avancée significative.
Selon les feuilles de route sectorielles, des cellules à 1000 Wh/l seront disponibles d'ici 2030 grâce aux batteries lithium-métal à état solide. Avant cela, un scénario alternatif repose sur des cellules "intelligentes" pour optimiser le rendement.
Les modules de batterie intègrent électronique et capteurs pour gérer l'usage. Pour prolonger la durée de vie, seule 60-80 % de l'énergie est exploitée, évitant d'endommager les électrodes.
Des cellules "intelligentes" équipées de micro-capteurs pourraient optimiser cette gestion, boostant l'autonomie. EnergyVille (KU Leuven, VITO, imec, UHasselt) développe ces prototypes, attendus prochainement.
Les premiers VE à batteries à semi-conducteurs arriveront mi-décennie, Toyota présentant un prototype aux JO de Tokyo.
La première génération n'excédera pas les lithium-ion liquides en densité, utilisant des matériaux similaires. Pourtant, elle excelle par sa compacité (empilement optimisé), sa sécurité (moins d'électronique périphérique) et sa stabilité (meilleure exploitation de l'énergie).
Ces atouts augmentent l'énergie globale du pack, même si la densité cellulaire reste comparable.
Remplacer l'électrolyte liquide par un solide n'augmente pas la densité, les solides inorganiques occupant plus de volume.
La valeur ajoutée réside dans la stabilité à haute tension, permettant des cathodes plus performantes et une énergie accrue.
Pour franchir 1000 Wh/l, les anodes lithium-métal sont idéales, mais sujettes aux dendrites causant courts-circuits. Le graphite, invention d'Akira Yoshino (Nobel de chimie), a résolu cela pour les lithium-ion liquides.
Imec progresse sur les électrolytes solides à haute conductivité ionique via des nanocomposites. EnergyVille et imec assemblent désormais des cellules complètes, avec une plateforme imec pour optimiser les interfaces nanométriques.
Beaucoup de défis persistent, mais les batteries à semi-conducteurs promettent des voyages sereins et sécurisés en VE.
Cet article, initialement publié comme Expert Talk sur le blog EnergyVille, a été édité par Wim Van Daele des éditeurs scientifiques d'imec.
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