Afin de booster l'adoption des véhicules électriques (VE), les batteries à état solide (électrolyte solide) s'avèrent cruciales. Grâce aux avancées en batteries à semi-conducteurs, les VE égaleront bientôt, voire dépasseront, les véhicules thermiques en autonomie.
Les premiers prototypes de voitures équipées de ces batteries seront présentés fin 2022 ; les modèles commerciaux arriveront d'ici 2025. Dans cette conférence d'expert, le Pr Philippe Vereecken (imec / KU Leuven / EnergyVille) décrypte le développement et le potentiel de cette technologie révolutionnaire.
L'engouement pour les VE ne faiblit pas. Les grands constructeurs annoncent de nouveaux modèles phares. Dès 2025, la mobilité électrique pourrait surpasser les moteurs à combustion en compétitivité. L'autonomie progresse rapidement : 300 km sans recharge deviendra la norme. L'avenir s'annonce brillant, à condition d'améliorer les performances des batteries et d'étendre le réseau de bornes.
Le VE idéal doit être abordable, sûr, confortable avec une grande autonomie et des recharges rapides. 300 km suffisent si les temps de charge sont courts et les bornes nombreuses. Cependant, une autonomie supérieure soulage le réseau de recharge, crucial face à l'explosion du nombre de VE.
Les thermiques offrent ~700 km et un plein en minutes. Les batteries visent 15-20 min pour 80 % de charge, toujours plus lent qu'un carburant. Mais les batteries à état solide permettront d'atteindre ou dépasser 700 km d'autonomie. L'innovation clé réside dans les cellules à semi-conducteurs.
Les meilleures cellules Li-ion actuelles atteignent >700 Wh/l, pour ~500 km théoriques. Elles plafonnent à 800 Wh/l. Les batteries à état solide, avec électrolyte solide, visent >1000 Wh/l via anode lithium-métal. Cela, combiné à des optimisations pack-batterie, garantit >700 km sans recharge. Plus sécurisées (sans liquides inflammables), elles débarqueront en 2025.
L'autonomie dépend de l'énergie des cellules Li-ion assemblées en pack. La densité volumétrique (Wh/l) prime, car le volume est contraint. Pour 700 km, il faut 1000 Wh/l (500 Wh/kg). Actuelles : 700 Wh/l (230 Wh/kg). Objectif 2030 pour lithium-métal solide, mais optimisations pack accélèrent.
Les packs incluent électronique et BMS limitant l'usage à 60-80 % pour longévité (sur-dimensionnement). Cellules intelligentes avec microcapteurs intégrés (EnergyVille) optimisent cela. Prototype imminent.
Les batteries solides de 1re génération (milieu 2020s, Toyota aux JO 2020) n'augmentent pas la densité cellulaire mais optimisent le pack : empilages compacts, bipolaires, sécurité accrue, meilleure utilisation énergie. Même avec densité inférieure, autonomie pack supérieure.
Figure : Évolution densité énergie Li-ion depuis 1991 (Sony). De graphite-LiCoO2 à NCA/NMC + Si anode. Plafond 800 Wh/l. Semi-conducteurs pour >1000 Wh/l.
Remplacer électrolyte liquide par solide ne booste pas seul la densité (solides plus volumineux). Mais valeur pack + fenêtre électrochimique élargie (stables >4V vs 3.6-3.8V liquides). Cathodes haute tension (LMNO 4.7V) avec LLZO (stable 5V).
Figure : Schéma Li-ion solide (graphite-Si anode) vs lithium-métal anode.
Pour >1000 Wh/l : cellules lithium-métal solide (LMB). Lithium-métal anode idéale (haute densité/tension), bloquée par dendrites (court-circuit). Solution graphite (Yoshino, Nobel). Électrolytes solides compatibles.
Batteries polymères solides >70°C inadaptées VE. Focus : conductivité Li+ élevée. Toyota (sulfures, 3x liquide), LLZO (oxydes). Sensibles humidité. imec : nanocomposite liquide solidifiant, compatible Li-ion.
Recherche récente : assemblage/intégration. Revêtements interphases (imec/EnergyVille) nanoscopiques pour interfaces. Essentiels pour LMB et Li-ion améliorées. Hybrides possibles.
Les batteries à état solide propulsent les VE à >700 km, comme les thermiques. Prototype 2022, commercial 2025. Cellules intelligentes éliminent sur-dimensionnement. VE : réalité et avenir prometteur.
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