Une percée dans le domaine des batteries rapproche les variantes à semi-conducteurs de la réalité

Les batteries à semi-conducteurs pour dominer le marché des véhicules électriques

Bien que les batteries lithium-ion soient devenues la solution dominante pour les systèmes de batteries de véhicules électriques, elles souffrent de quelques limitations.

L’un d’entre eux est la densité énergétique encore peu élevée, et un autre est un problème de sécurité lié à la croissance de dendrites perçant la batterie et l’électrolyte prenant parfois feu.

Source: Prix ​​Nobel

Ces deux problèmes devraient être résolus grâce aux batteries à l’état solide, qui éliminent le besoin d’électrolytes et le risque de dendrites.

Toyota prévoit l'utilisation de ces batteries à semi-conducteurs d'ici 2027, et dans l’ensemble, il semble être un candidat solide pour L'avenir de la mobilité.

Cependant, certains problèmes persistent, notamment avec l’électrolyte solide de type grenat, également connu sous le nom de Li7La3Zr2O12 ou LLZO (voir ci-dessous).

C'est donc une bonne nouvelle que quatre chercheurs de l'Université McGill au Canada aient annoncé avoir créé un nouveau modèle de LLZO capable de fournir une quantité accrue d'énergie. Ils ont publié leurs résultats dans Cell Reports Physical Science dans un article intitulé «Batteries lithium-métal à grenat entièrement solides de 4.8 V avec interface stable ».

Électrolyte solide

LLZO

On dit souvent que les batteries à l'état solide n'ont pas besoin d'électrolyte. C'est techniquement correct lorsqu'il s'agit de l'électrolyte liquide couramment utilisé dans les batteries lithium-ion.

Mais bien sûr, toute batterie a toujours besoin d'une sorte de pont entre l'anode et la cathode pour fonctionner. Il existe trois types d'électrolytes solides (ES) : les ES en céramique, en polymère et en composite (ESC).

Les électrolytes composites à l'état solide (CSE) mélangent du SE polymère avec des charges inorganiques conductrices ioniques comme Li7La3Zr2O12 (LLZO) pour faciliter les transports d'ions lithium.

Bien que cette méthode soit idéale pour le fonctionnement à haute tension dans les batteries denses, elle souffre d'un mauvais contact avec l'électrode, ce qui réduit l'efficacité globale.

LLZO poreux

Les chercheurs ont découvert que le LLZO peut être constitué d'une membrane en céramique poreuse, au lieu de la plaque de détection habituelle. En termes plus techniques :

Ici, nous concevons un électrolyte solide composite à base de grenat (CSE) hautement conducteur et respectueux de l'interface comprenant une structure poreuse cubique Li6.1Al0.3La3Zr2O12 et du polyfluorure de vinylidène (PVDF) avec une structure continue tridimensionnelle.

Visuellement, cela se traduit par une structure 3D très complexe pleine de petits trous à l'échelle microscopique :

Source: Cellule

Cela crée une grande surface de contact pour le lithium-ion, tout en offrant une forte adhérence à l'électrode.

Source: Cellule

Des batteries plus stables et plus durables

Les batteries à l’état solide sont globalement beaucoup plus puissantes et plus denses en énergie que les batteries lithium-ion. Mais il est difficile de les fabriquer à grande échelle pour qu’elles puissent supporter de nombreux cycles de charge-décharge sans perdre de capacité.

Les chercheurs ont ensuite testé les batteries pour voir si l’interface d’électrode qu’ils avaient créée était aussi solide qu’ils l’espéraient.

Après 200 cycles, ils l'ont étudié au microscope et n'ont trouvé aucune trace de dégradation, comme des fissures, un délaminage, etc.

Source: Cellule

Dans l’ensemble, le prototype de batterie démontre une excellente résistance, notamment contre la formation de dendrites.

Les cellules symétriques Li-Li basées sur le CSE à base de céramique peuvent fonctionner de manière stable pendant 1,000 0.1 h à 0.5 et 2 mA cm−XNUMX, indiquant une excellente stabilité électrochimique contre le dépôt de Li-métal et même de Li+ (suppression des dendrites).

Meilleur profil de sécurité

La formation de dendrites considérablement réduite, ainsi que l’absence d’électrolytes inflammables, devraient contribuer à augmenter considérablement la sécurité des batteries au lithium.

Étant donné que l’épaisseur du CSE à base de céramique n’est que de 125 μm, cette technologie est également très compétitive pour créer des batteries à l’état solide à très forte densité énergétique.

Il convient également de noter que, bien que n’étant pas simple, la technique utilisée pour créer le LLZO amélioré ne nécessite pas de métaux rares, de machines rares ou d’étapes complexes qui sortent de l’ordinaire dans la fabrication de batteries.

Source: Cellule

Dans l’ensemble, cela devrait donc constituer une étape importante pour améliorer encore les caractéristiques des batteries à l’état solide dans tous les aspects importants : stabilité, sécurité, densité énergétique et facilité de production.

Les batteries à semi-conducteurs sont-elles gagnantes ?

Cela ne veut pas dire que les batteries à semi-conducteurs deviendront certainement la nouvelle norme pour les batteries de véhicules électriques dans les années à venir.

Les batteries lithium-ion pourraient également rivaliser. Cela est principalement dû à une amélioration de la conception, avec des nanopores similaires contribuant à réduire la formation de dendrites.

Notamment, batteries en nid d'abeille développées par le leader mondial de la fabrication de batteries CATL pourrait atteindre un profil de sécurité et une densité énergétique similaires à certaines batteries à l’état solide.

Dans l’ensemble, il semble qu’une compréhension plus approfondie des matériaux des batteries, en particulier à l’échelle micro et nano, et des utilisations des nanopores sera la voie à suivre pour continuer à améliorer les performances des batteries et éliminer définitivement le risque causé par la formation de dendrites.

Investir dans la technologie des batteries

Les batteries au lithium ont déjà changé le monde à plusieurs reprises, en permettant aux gens de transporter partout des appareils électroniques de pointe ou en alimentant les voitures uniquement à l’électricité.

Ils pourraient encore le faire, ou d’autres types de batteries, en permettant un réseau électrique 100 % renouvelable ou en permettant l’électrification des avions lorsqu’une densité énergétique suffisamment élevée sera atteinte.

Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux batteries par l'intermédiaire de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur Securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers en Etats-Unis, Canada, Australie, au Royaume-Uni, ainsi que dans de nombreux autres pays.

Si vous ne souhaitez pas choisir des sociétés de batteries spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers les ETF biotechnologiques comme Amplify ETF sur la technologie du lithium et des batteries (BATT), Global X ETF sur la technologie du lithium et des batteries (LIT)ou de la ETF WisdomTree Battery Solutions UCITS, qui offrira une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur le secteur en pleine croissance des batteries.

Entreprises de semi-conducteurs

Considérée depuis longtemps comme l’une des premières entreprises à commercialiser des batteries à semi-conducteurs, QuantumScape a été à l’avant-garde du développement de cette technologie.

Les batteries QuantumScape utilisent des batteries au lithium métal sans anode.

Les batteries sans anode stockent les ions dans un dépôt électrochimique de métal alcalin directement sur le collecteur de courant. Cela permet d'obtenir une tension de cellule plus élevée, un coût de cellule plus faible et une densité énergétique accrue.

Source: QuantumScape

(nous avons également discuté du concept de batteries sans anode dans le contexte des batteries au sodium dans «Les batteries à l'état solide au sodium sans anode pourraient réduire la dépendance au « triangle du lithium »»).

QuantumScape a cependant régulièrement retardé la date prévue de production en masse de ses batteries, freinant l’enthousiasme initial des investisseurs pour l’entreprise.

Cela pourrait changer avec quelques développements clés en 2023 et 2024 :

• Amélioration de la cohérence et de la qualité de la production.
• Amélioration de la conception de l'emballage, notamment des marges internes plus serrées, des collecteurs de courant plus minces et un cadre plus fin.
• Nous avons expédié des cellules unitaires à charge cathodique élevée aux partenaires OEM (fabricants d'équipement d'origine) du secteur automobile.
• Annonce du lancement du QSE-5, le premier produit commercial de la société, avec un client de lancement potentiel dans le secteur automobile.

Dans l’ensemble, QuantumScape semble être de loin la société à semi-conducteurs avec la technologie la plus mature, notamment en ce qui concerne la durabilité de la batterie.

Source: QuantumScape

Accord avec Volkswagen

Plus important encore, l’entreprise montre de réels progrès dans l’établissement d’un partenariat avec Volkswagen, le 2^nd le plus grand constructeur automobile du monde.

En juillet 2024QuantumScape a signé avec Volkswagen un accord de collaboration sur la fabrication de cellules de batterie basées sur la conception QSE-5.

La licence permettrait à PowerCo de fabriquer et de vendre des batteries automobiles jusqu'à 40 GWh par an, extensibles de 40 GWh supplémentaires.

Il s’agit d’une licence de propriété intellectuelle non exclusive et assortie de redevances, permettant à QuantumScape de continuer à vendre à tout autre client potentiel.

Peut-être plus important encore pour apaiser les inquiétudes des investisseurs à propos de l'entreprise, elle versera également une redevance initiale de 130 millions de dollars, créditée sur les redevances futures, payées par PowerCo, la filiale de batteries de Volkswagen.

Cela donne à l'entreprise 18 mois supplémentaires de trésorerie par rapport aux prévisions précédentes, et ce jusqu'en 2028.

Il devrait y avoir plus que suffisamment de temps pour accélérer la production et commencer à enregistrer des revenus solides.

Ainsi, tant que les batteries QuantumScape fonctionnent correctement, elles devraient pouvoir trouver leur place sur le marché aux côtés des batteries fabriquées par des entreprises plus grandes comme CATL, BYD et Panasonic.

Étant donné que Volkswagen a probablement testé de manière approfondie ses propres prototypes QuantumScape et étudié la montée en puissance de la production, l'accord récent semble être une solide approbation de la technologie de l'entreprise.

Source: QuantumScape

Par ailleurs, la date butoir fixée par Toyota pour la commercialisation des batteries à semi-conducteurs en 2027 semble indiquer qu'après de nombreux faux départs, la technologie atteint désormais un point où elle est suffisamment mature.