Accélérer les avancées dans le domaine des batteries à semi-conducteurs grâce à l'IA

Le monde en pleine croissance de la technologie des batteries devrait valoir plus de 100 milliards de dollars dans les années à venir, grâce à adoption croissante des véhicules électriques (VE), l'installation de diverses batteries et l'alimentation des centres de données.

Parmi les différents types de batteries, le lithium-ion est le plus populaire, représentant une part de marché massive de 44 %. Batteries Li-ion sont des batteries rechargeables qui sont le plus souvent utilisées dans le monde d'aujourd'hui, alimentant nos téléphones portables, ordinateurs portables et autres appareils électroniques grand public, en plus des véhicules électriques et des systèmes de stockage d'énergie.

Si les batteries lithium-ion offrent de nombreux avantages en termes de légèreté, de conductivité élevée et de densité énergétique élevée, leur durée de vie est problématique. La sécurité constitue un autre défi majeur, car elles contiennent un électrolyte liquide volatil, susceptible de s'enflammer en cas de dommage ou de surchauffe.

En conséquence, les batteries à l’état solide (SSB) sont apparues comme une alternative aux batteries à l’état liquide (LSB), qui utilisent des électrolytes solides pour éviter les fuites ou le dégagement de gaz.

Outre une sécurité accrue, ces batteries offrent également les avantages de la miniaturisation, de la légèreté, d'une charge plus rapide, d'une excellente efficacité d'emballage, d'un fonctionnement sur une large plage de températures et d'une longue durée de conservation.

Les batteries à semi-conducteurs ne sont pourtant pas une découverte récente. Leur apparition remonte au XIXe siècle, mais malgré leur ancienneté, leur utilisation reste limitée. La situation est en train de changer avec l'essor de l'électrification et le besoin d'alternatives plus performantes et plus sûres aux batteries Li-ion, largement répandues. 

Face à l’intérêt renouvelé pour cette technologie, les chercheurs optimisent les batteries à semi-conducteurs grâce à une approche multidimensionnelle axée sur les matériaux, la structure et la conception de l’interface, ainsi que sur l’utilisation de techniques d’IA basées sur les données. 

Travaux en cours pour améliorer les SSB

Des chercheurs du monde entier travaillent d'arrache-pied pour comprendre et améliorer les batteries solides afin d'alimenter l'avenir. Voici quelques études récentes et importantes menées dans ce domaine :

Décodage des SSB

Des chercheurs de l'Université du Missouri ont approfondi leur compréhension des problèmes liés aux batteries à semi-conducteurs et des moyens de les surmonter pour aider les SSB à devenir une réalité.

Ils ont utilisé la microscopie électronique à transmission par balayage 4D (STEM) pour analyser la structure atomique de la batterie sans la démonter et ont découvert que la couche d'interphase était la source du problème.

Dans les SSB, le contact d'un électrolyte solide avec la cathode entraîne une réaction qui forme une couche d'interphase de 100 nm d'épaisseur. Bien que cette couche soit 1,000 XNUMX fois plus fine qu'un cheveu, elle bloque le transfert fluide des ions lithium et des électrons, ce qui augmente la résistance et nuit aux performances de la batterie.

Après avoir fait cette découverte, le professeur adjoint Matthias Young prévoit maintenant de tester si la spécialisation de son laboratoire, les films minces créés par un processus appelé dépôt de couches moléculaires oxydatives (oMLD), peuvent former des revêtements protecteurs et aider à empêcher l'électrolyte solide et les matériaux de la cathode de réagir les uns avec les autres. 

« Les revêtements doivent être suffisamment fins pour empêcher les réactions, mais pas trop épais pour ne pas bloquer le flux des ions lithium », a-t-il déclaré. « Notre objectif est de préserver les hautes performances des matériaux de l'électrolyte solide et de la cathode. Notre objectif est d'utiliser ces matériaux ensemble sans sacrifier leurs performances au profit de la compatibilité. »

Exploration du potentiel du LLZO comme électrolyte solide dans le SSLMB

Une étude récente menée par des chercheurs de l’Université de Tohoku a évalué les électrolytes solides de type grenat pour les batteries au lithium métal à l’état solide (SSLMB), qui sont considérées comme une technologie prometteuse en raison de leur potentiel d’amélioration des performances énergétiques et de la sécurité.

Elle a constaté que les avantages en termes de densité énergétique attendus de ces batteries pourraient en réalité être surestimés. 

Selon cette étude, une batterie lithium métal entièrement solide (ASSLMB) avec le principal candidat électrolyte solide LLZO (oxyde de lithium, lanthane et zirconium) n'offre qu'une augmentation marginale de la densité énergétique par rapport aux batteries Li-ion actuelles tout en entraînant des coûts de production élevés et en faisant face à des défis de fabrication.

Selon l'étude, l'ASSLMB atteindrait une densité énergétique gravimétrique de 272 Wh/kg contre 250-270 Wh/kg pour le Li-ion, ce qui ferait des électrolytes quasi-solides des alternatives plus viables.

Les batteries lithium métal tout solide sont considérées comme l'avenir du stockage d'énergie, mais notre étude montre que les conceptions basées sur la technologie LLZO pourraient ne pas offrir le bond escompté en termes de densité énergétique. Même dans des conditions idéales, les gains sont limités, et les défis en termes de coût et de fabrication sont considérables.

– Auteur principal de l'étude, Eric Jianfeng Cheng du WPI-AIMR, Université de Tohoku

Bien que appréciée pour sa conductivité ionique et sa stabilité, une modélisation complète d'une batterie LLZO pratique a remis en question l'idée qu'elle améliore considérablement la densité énergétique. Même avec un séparateur céramique LLZO ultrafin et une cathode haute capacité, l'étude révèle que les performances de la batterie ne sont que légèrement supérieures à celles des meilleures cellules lithium-ion conventionnelles.

La densité du LLZO est le problème clé, car elle augmente la masse cellulaire et réduit les bénéfices énergétiques attendus. Viennent ensuite la fragilité du matériau, les problèmes liés aux dendrites de lithium, les difficultés de fabrication de feuilles minces sans défaut et la présence de vides à l'interface, autant de facteurs qui compliquent la mise en œuvre à grande échelle. Selon Cheng :

« Le LLZO est un excellent matériau du point de vue de la stabilité, mais ses limitations mécaniques et son poids pénalisent sérieusement sa commercialisation. »

Ici, la combinaison du matériau avec des électrolytes à base de gel ou de polymère a montré une meilleure stabilité à long terme.

Découverte d'électrolytes solides prometteurs

Des chercheurs de l'Université des sciences de Tokyo ont également découvert de nouveaux matériaux pour des SSLIB sûrs et performants.

« Fabriquer des batteries secondaires lithium-ion entièrement solides est un rêve de longue date pour de nombreux chercheurs en batteries », a déclaré le professeur Kenjiro Fujimoto, qui a noté qu'ils ont découvert un électrolyte solide en oxyde, qui est un composant clé des ASSLIB. 

Le matériau (Li1.25La0.58Nb2O6F) est très stable et présente une conductivité ionique totale de 3.9 mS cm⁻¹ à température ambiante, ce qui est supérieur aux électrolytes solides à base d'oxyde précédemment rapportés, tout en ayant une énergie d'activation extrêmement faible.

De plus, en cas de dommage, il ne s'enflamme pas, ce qui rend ce nouveau matériau adapté aux applications où la sécurité est essentielle. Son utilisation à haute température et sa capacité de recharge rapide le rendent également adapté aux applications à forte capacité comme les véhicules électriques.

« L’application de ce matériau est prometteuse pour le développement de batteries révolutionnaires capables de fonctionner dans une large gamme de températures, des plus basses aux plus élevées. »

– Professeur Fujimoto

Entre-temps, à la fin de l’année dernière, des chercheurs de l’Université métropolitaine d’Osaka ont développé Na2.25TaCl4.75O1.25 comme nouvel électrolyte solide.

Les chercheurs avaient précédemment développé l'électrolyte solide NaTaCl6, une combinaison de chlorure de sodium et de chlorure de tantale. Cette fois, l'équipe y a ajouté du pentoxyde de tantale (Ta2O5), ce qui leur a permis d'obtenir une conductivité élevée à température ambiante. 

Il présente également une formabilité élevée ainsi qu'une stabilité électrochimique supérieure à celle des chlorures conventionnels.

« Les résultats de cette recherche devraient apporter une contribution significative au développement d'électrolytes solides composites, en plus des électrolytes solides en verre et en cristal qui ont été développés à ce jour. »

– Professeur adjoint Kota Motohashi de l'École supérieure d'ingénierie

Ils se concentrent désormais sur l’illustration du mécanisme de conduction ionique des électrolytes solides composites ainsi que sur le développement de nouveaux matériaux.

Modification de la structure, suppression des composants

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont quant à eux découvert que la structure hélicoïdale améliorait significativement la conductivité des électrolytes polymères peptidiques à l'état solide par rapport à leurs homologues à « bobine aléatoire », des hélices plus longues conduisant à une conductivité plus élevée. De plus, la structure hélicoïdale améliore la stabilité globale du matériau à la tension et à la température.

« Nous avons introduit le concept d’utilisation de la structure secondaire – l’hélice – pour concevoir et améliorer la propriété matérielle de base de la conductivité ionique dans les matériaux solides. »

– Professeur Chris Evans, responsable de l’étude

Il s'agit de la même hélice que celle que l'on retrouve dans les peptides en biologie. Étant fabriquée à partir de peptides, une fois la batterie en fin de vie, le matériau peut être décomposé en unités monomères individuelles à l'aide d'acide ou d'enzymes. Les matières premières peuvent ensuite être récupérées et réutilisées, ce qui la rend respectueuse de l'environnement.

Dans une autre étude intéressante, des chercheurs ont créé la première batterie solide au sodium sans anode, offrant un cyclage stable sur plusieurs centaines de cycles. Cette batterie économique, de grande capacité et à charge rapide peut contribuer à la décarbonation de l'économie.

Le retrait de l'anode nécessitait une architecture innovante, l'équipe a donc créé un collecteur de courant utilisant de la poudre d'aluminium, qui, bien que solide, peut s'écouler comme un liquide, qui entourait l'électrolyte.

« Les batteries à l'état solide au sodium sont généralement considérées comme une technologie d'avenir lointain, mais nous espérons que cet article pourra stimuler davantage de progrès dans le domaine du sodium en démontrant qu'elles peuvent effectivement bien fonctionner, voire mieux que la version au lithium dans certains cas. »

– Premier auteur Grayson Deysher, candidat au doctorat à l'UC San Diego

Il est temps d'utiliser l'IA pour trouver rapidement les meilleurs candidats électrolytes solides

Au milieu de ces recherches approfondies en cours sur différents aspects des batteries à l’état solide, en particulier les électrolytes, pour les améliorer et favoriser leur adoption, les scientifiques ont désormais recours à l’intelligence artificielle.

L'électrolyte est l'un des composants les plus essentiels d'une batterie. Il assure le transfert de particules porteuses de charge, appelées ions, entre les deux électrodes de la batterie, provoquant ainsi sa charge et sa décharge. 

L'accent est donc mis sur l'amélioration des performances des électrolytes solides (SSE), notamment en termes de conductivité ionique, de stabilité et de durée de vie. Cependant, les limites des matériaux actuels rendent ces améliorations difficiles à réaliser. 

Surmonter ces défis nécessite le développement de matériaux SSE hautes performances, qui libéreront tout le potentiel des batteries à l’état solide.

Les oxydes et sulfures métalliques comptent parmi les matériaux les plus étudiés en tant que SSE prometteurs. L'étude des hydrures comme SSE, présentant une stabilité redox et mécanique élevée et une conductivité ionique divalente moyenne à température ambiante, est particulièrement intéressante. 

Grâce à leur conductivité ionique élevée et à leur faible énergie d'activation, les hydrures se sont révélés très prometteurs pour le développement des SSE. Les hydrures métalliques, quant à eux, offrent des avantages distinctifs en raison de la faible masse des atomes d'hydrogène. 

Cependant, le faible poids de l’hydrogène et le comportement complexe des hydrures divalents présentent des défis dans la synthèse et la caractérisation structurelle, soulignant les limites des techniques expérimentales actuelles. 

Le défi réside dans le fait que la découverte expérimentale d'électrolytes solides repose sur des méthodes d'essais-erreurs inefficaces et chronophages. Pour y remédier, nous avons besoin de recherches assistées par ordinateur afin de comprendre les mécanismes de migration ionique et de découvrir de nouveaux électrolytes solides.

En réalité, les approches théoriques offrent généralement des moyens plus systématiques et plus rapides d'explorer les propriétés des matériaux. Par ailleurs, les avancées dans les grands modèles de langage (MLL) améliorent encore les méthodologies basées sur les données et les prédictions théoriques.

Cependant, obtenir une précision élevée dans les méthodes théoriques reste difficile en raison de la complexité des matériaux SSE. Le fait que la recherche actuelle se concentre sur un seul matériau ou une seule méthode limite également la compréhension globale des SSE.

Alors, comment pouvons-nous mieux exploiter les connaissances théoriques pour concevoir des expériences plus efficaces ? Et quel type de flux de travail optimal combine harmonieusement modélisation théorique et validation expérimentale ? La réponse réside dans la combinaison des informations informatiques et expérimentales.

Afin de surmonter les obstacles liés aux SSE divalents, qui sont très prometteurs pour les batteries entièrement solides (ASSB) à hautes performances, les chercheurs d'une nouvelle étude ont développé un flux de travail intégré qui combine l'exploration de données, l'analyse pilotée par l'IA, la régression par apprentissage automatique, la recherche de structure globale, les simulations de métadynamique ab initio (MetaD) et l'analyse comparative théorie-expérience.

Cette recherche vise à améliorer notre compréhension des SSE divalents et à fournir un cadre robuste pour prédire et concevoir de nouveaux candidats SSE. Elle accélérera ainsi la découverte d'options SSE optimisées pour faire progresser les technologies viables de stockage d'énergie.

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Vers des SSB de nouvelle génération pour des solutions énergétiques durables

Pour réussir à construire des batteries à l'état solide plus puissantes et plus durables, les chercheurs de l'Université de Tohoku ont construit un cadre d'IA basé sur les données¹. 

Contrairement à l’approche traditionnelle, qui consiste à tester chaque matériau puis à définir les voies une par une, ce cadre identifie les candidats potentiels à l’électrolyte à l’état solide (SSE) qui pourraient être « celui » qui créera la solution énergétique durable idéale.

Le modèle développé permet non seulement de sélectionner les candidats optimaux, mais aussi de prévoir la réaction. De plus, il explique pourquoi un candidat particulier est un bon choix en fournissant des informations sur les mécanismes potentiels, aidant ainsi les chercheurs à démarrer avant même d'entrer en laboratoire.

Le professeur Hao Li de l'Institut avancé de recherche sur les matériaux a noté :

« Le modèle effectue pour nous toutes les étapes de la procédure d'essais-erreurs. Il s'appuie sur une vaste base de données issue d'études antérieures pour examiner toutes les options potentielles et trouver le meilleur candidat SSE. »

Le framework d'IA avancé de l'équipe s'intègre au Large Language Model (LLM), un modèle d'apprentissage automatique pré-entraîné sur de vastes volumes de données. Les LLM sont reconnus pour leur grande capacité à traiter, comprendre et générer le langage humain.

En intégrant d'autres techniques basées sur les données, le modèle prédictif s'appuie à la fois sur des données informatiques et expérimentales. Ainsi, l'étude offre aux chercheurs une option fiable, offrant les meilleurs résultats.

Outre l'accélération du développement de batteries solides durables et performantes, l'étude vise également à comprendre les relations complexes entre structure et performance des SSE. Cette relation englobe des facteurs tels que la conductivité ionique, la stabilité et la compatibilité avec les électrodes, et est souvent étudiée par modélisation informatique, analyse expérimentale et approches basées sur les données.

Le modèle développé par l'équipe prédit plus précisément les énergies d'activation, détermine la structure cristalline stable et optimise le flux de travail global des chercheurs. Les résultats de l'étude démontrent que MetaD est une excellente méthode de calcul, démontrant une concordance substantielle avec les données expérimentales pour les SSE d'hydrures complexes.

Les chercheurs ont également identifié un nouveau système de transfert d'ions. Ce mécanisme en deux étapes est présent dans les deux SSE résultant de l'intégration de molécules neutres.

Ainsi, en combinant l'analyse des caractéristiques avec la régression linéaire multiple, l'équipe a pu développer avec succès des modèles prédictifs précis pour l'évaluation rapide des performances des SSE des hydrures. Plus important encore, ce cadre permet une prédiction précise des structures candidates sans dépendre des données expérimentales. 

Dans l’ensemble, l’étude fournit d’excellentes informations ainsi que des méthodologies avancées pour la conception et l’optimisation efficaces des batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération.

Mais ce ne sont là que les premières étapes vers la création de solutions énergétiques durables, l'équipe prévoyant d'étendre l'application de son cadre à diverses familles d'électrolytes. L'équipe s'attend à ce que les outils d'IA générative soient utiles pour étudier les voies de migration des ions et les mécanismes de réaction, améliorant ainsi la capacité prédictive de la plateforme.

Investir dans le marché des batteries à semi-conducteurs

QuantumScape est une entreprise à l'avant-garde en matière d'investissement sur le marché en pleine expansion des batteries à semi-conducteurs, en tant qu'acteur majeur spécialisé dans la technologie lithium-métal. Son séparateur céramique à semi-conducteurs exclusif est conçu pour améliorer la densité énergétique, la vitesse de charge et la sécurité, tout en prévenant des problèmes critiques comme la formation de dendrites, qui freine l'adoption des anodes au lithium-métal.

Corporation QuantumScape (QS )

Développant la technologie SSB pour les véhicules électriques et visant à devenir un fabricant d'équipement d'origine (OEM), QuantumScape Corporation a déjà conclu des partenariats avec le grand constructeur automobile Volkswagen Group et sa filiale, PowerCo.

Malgré des difficultés de commercialisation, QuantumScape demeure une référence dans ce secteur. L'année dernière, l'entreprise a commencé à produire des échantillons de ses différents produits SSB et prévoit d'en produire davantage cette année.

Avec une capitalisation boursière de 2.2 milliards de dollars, l'action QS se négocie actuellement à 3.90 dollars, en baisse de plus de 25 % depuis le début de l'année. Son BPA (sur 0.91 mois) est de -4.30 et son PER (sur XNUMX mois) de -XNUMX.

Au premier trimestre 1, la société a enregistré des dépenses d'investissement de 2025 millions de dollars, des charges d'exploitation (PCGR) de 5.8 millions de dollars et une perte nette (PCGR) de 123.6 millions de dollars. Elle a terminé le trimestre avec 114.4 millions de dollars de liquidités, une marge de trésorerie qui devrait perdurer jusqu'au second semestre 860.3.

Cette année, l'entreprise vise à intégrer le processus de séparation Cobra à la production de base, à améliorer la qualité et le rendement des échantillons QSE-5 et à expédier des cellules QSE-5 pour démontrer ses capacités de performance exceptionnelles dans une application réelle.

Dernières nouvelles de QuantumScape Corporation

Conclusion

Les batteries jouant un rôle essentiel dans l'alimentation des appareils électroniques, des véhicules électriques et des systèmes énergétiques, le développement de matériaux énergétiques de nouvelle génération est nécessaire pour bâtir un avenir durable. Si les batteries à semi-conducteurs constituent une solution prometteuse, leur développement se heurte à d'importants défis techniques. Le développement des batteries à semi-conducteurs (SSB) nécessite d'améliorer les performances de l'électrolyte à semi-conducteurs (SSE). 

D'où l'intense recherche autour des SSE, qui devrait s'accélérer grâce au nouveau modèle d'IA piloté par les données. S'appuyant sur de vastes ensembles de données et des techniques de simulation avancées, ce cadre permet aux chercheurs d'identifier et d'optimiser les SSE avec une rapidité et une précision sans précédent. Cette convergence entre science des matériaux et apprentissage automatique révèle un potentiel considérable pour la conception de solutions de batteries à semi-conducteurs performantes et durables, garantes d'un avenir énergétique propre.

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Études référencées :

1. Wang, Q., Yang, F., Wang, Y., Zhang, D., Sato, R., Zhang, L., Cheng, EJ, Yan, Y., Chen, Y., Kisu, K., Orimo, S. et Li, H. (2025). Dévoiler la complexité des électrolytes hydrures divalents dans les batteries à semi-conducteurs via un cadre basé sur les données avec un grand modèle de langage. Angewandte Chemie International Edition, 64(22), e202506573. https://doi.org/10.1002/anie.202506573