Comment la technologie des batteries à semi-conducteurs de Princeton pourrait transformer le stockage de l'énergie

La batterie ultime

Les batteries étant devenues la base des groupes motopropulseurs des véhicules électriques, leurs performances et leur profil de sécurité se sont améliorés. Jusqu'à présent, cela a été réalisé avec des variantes de batteries au lithium, soit des batteries lithium-ion (lithium-nickel-manganèse NMC et lithium-nickel-cobalt-aluminium NCA) ou lithium-fer-phosphate (LFP). Il s'agit d'une technologie transformatrice qui, à juste titre, a valu à ses inventeurs le prix Nobel de chimie 2019 (suivez le lien pour l'histoire de l'invention du lithium-ion).

Jusqu’à présent, on s’attendait à ce que ces batteries continuent de dominer le marché des batteries, grâce à leur densité énergétique extrêmement élevée.

Source: S&P Global

Les batteries lithium-ion classiques ont toutefois une limite en termes de capacité de stockage d'énergie. C'est pourquoi les chercheurs étudient d'autres options, parmi lesquelles les batteries à l'état solide sont celles qui ont le plus de chances de porter leurs fruits.

Les batteries à l’état solide sont censées être plus sûres, plus denses en énergie et plus durables que les batteries lithium-ion traditionnelles. Cependant, il est très difficile de les fabriquer de manière fiable à grande échelle et rentable, ce qui a ralenti leur adoption.

Cela pourrait changer, et de nouvelles connaissances sur les causes de défaillance des batteries à semi-conducteurs proviennent de chercheurs travaillant à l’Université de Princeton, à l’Université Purdue, à l’Université du Michigan et au Brookhaven National Laboratory.

Ils ont publié leurs découvertes les plus récentes dans deux articles scientifiques dans Advanced Energy Materials¹ et les lettres d'ACS Energy², respectivement, sous les titres «Cinétique du lithium dans la couche intermédiaire poreuse Ag–C dans les batteries à semi-conducteurs sans réservoir"&"Défaillance induite par un filament dans les batteries à semi-conducteurs sans réservoir de lithium ».

Ils ont également analysé l'état actuel de la science des batteries concernant les batteries sans anode et l'ont publié dans Nature Materials.³, sous le titre "Electro-chimio-mécanique des batteries à l'état solide sans anode ».

Batterie à semi-conducteurs sans anode

L'idée des batteries à l'état solide est de remplacer l'électrolyte liquide des batteries lithium-ion par une couche de métal solide. C'est la principale source de gain d'efficacité, car les électrolytes sont lourds et volumineux.

Source: Université de Chicago

Cela améliore également le profil de sécurité, car les solvants électrolytiques sont généralement inflammables, créant des incendies de batterie rares mais spectaculaires qui ont donné une mauvaise réputation aux premiers véhicules électriques.

Une autre étape a récemment été explorée par les chercheurs, en retirant entièrement la moitié de la batterie. Les batteries sont constituées d'une cathode et d'une anode, chacune dotée d'une charge électrique différente.

Les batteries sans anode renoncent complètement au besoin d'une anode,

« Au lieu de cela, les ions circulent de la cathode positive directement vers le collecteur de courant à l’extrémité opposée de la batterie. Les ions se déposent ensuite sur le collecteur de courant lui-même, formant une fine couche métallique pendant que la batterie se charge. »

Source: L'Université de Princeton

Dans leur analyse de la technologie sans anode actuelle, les chercheurs de Princeton soutiennent que le principal problème qui empêche de faire progresser la technologie est une mauvaise compréhension de l'effet mécanique du cycle de charge-décharge, plus que des réactions chimiques.

Les mécanismes régissant le cycle de charge-décharge des batteries sans anode sont largement contrôlés par des phénomènes électro-chimio-mécaniques aux interfaces solide-solide, et il existe des différences mécanistiques importantes par rapport aux batteries conventionnelles à excès de lithium.

 Défis liés aux semi-conducteurs

Dans une batterie classique, la connexion aux électrodes (anode et cathode) est relativement aisée, car l'électrolyte est sous forme liquide. Dans une batterie solide, le métal solide doit rester parfaitement en contact avec le collecteur de courant.

Si ce n’est pas parfaitement uniforme, les zones avec un bon contact deviennent des points chauds, tandis que les zones avec un mauvais contact forment des vides.

Pour comprendre ce phénomène, les chercheurs doivent avoir une parfaite compréhension du processus complexe qui se déroule pendant la charge et la décharge d'une batterie. Il ne s'agit pas seulement d'un phénomène chimique, mais aussi mécanique, le matériau changeant légèrement de forme au fil du temps.

Dans le premier article, ils ont découvert que la pression peut jouer un rôle important dans la façon dont le métal à l'état solide réagit.

Problèmes de basse pression

La microscopie électronique à balayage révèle que le lithium a une surface de contact de plus en plus importante à mesure que la pression augmente. Cela signifie donc qu'une pression trop faible ne suffit pas à améliorer le contact irrégulier causé par ces irrégularités de surface.

Source: Publication de l'AEC

En fin de compte, le placage irrégulier a conduit à la formation de filaments métalliques pointus qui, comme de minuscules aiguilles, pouvaient percer l’électrolyte solide et provoquer un court-circuit dans la batterie.

Problèmes de haute pression

Bien que la haute pression puisse créer un placage et un décapage uniformes, ce n’est pas une solution magique.

Les chercheurs ont découvert que l'électrolyte et le collecteur de courant étaient forcés l'un contre l'autre de manière si intense que toutes les imperfections sur l'un ou l'autre étaient amplifiées jusqu'à ce que la contrainte mécanique provoque la formation de fractures.

Source: Publication de l'AEC

Grâce à la tomographie à rayons X, les chercheurs ont réussi à cartographier ces fissures se formant sous haute pression.

Lorsque la pression de la pile augmente de 2 à 10 MPa, le volume total de la fissuration augmente. De nombreuses fissures s'étendent jusqu'au côté de la contre-électrode (Figures 3b–e et S10), et une seule dendrite de lithium atteignant la contre-électrode peut provoquer un court-circuit.

Source: Publication de l'AEC

Dans l’ensemble, trouver le point idéal entre une pression suffisamment basse et un contact efficace sera l’objectif final de l’industrie des batteries.

« Le Saint Graal dans ce domaine sera de trouver comment maintenir un contact solide à basse pression, car il est pratiquement impossible de fabriquer un électrolyte sans défaut. Si nous voulons exploiter le potentiel de ces batteries, nous devons résoudre le problème du contact. »

Par Kelsey Hatzell – Professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial

Meilleur placage

Obtenir un placage plus uniforme est le sujet de le deuxième papier publié par l'équipe du Pr Hatzell et leurs collaborateurs dans d'autres universités et laboratoires.

Ils ont découvert qu'une fine couche de revêtement entre le collecteur de courant et l'électrolyte facilite le transport des ions. Ils ont testé plusieurs modèles pour ce revêtement.

Finalement, ils ont découvert que la meilleure option était d'utiliser des couches intermédiaires constituées de nanoparticules de carbone et d'argent. L'argent contenu dans ces couches intermédiaires formait des alliages avec les ions lors de la charge et de la décharge de la batterie, permettant un placage et un décapage uniformes du collecteur de courant.

Cependant, les détails de la fabrication des particules d'argent sont très importants. En utilisant des nanoparticules plus grosses de 200 nm (nanomètres), elles forment des structures métalliques fines et irrégulières sur le collecteur de courant. Cela réduit la capacité et entraîne une défaillance éventuelle de la batterie après plusieurs cycles de charge.

Source: Matériaux énergétiques avancés

« Seuls quelques groupes ont étudié les processus réels qui se produisent dans ces intercalaires. Nous avons notamment démontré que la stabilité de ces systèmes est liée à la morphologie du métal lorsqu’il se plaque et se détache du collecteur de courant. »

Parc Se Hwan - Pchercheur ostdoctoral à l'Université de Princeton

Les particules d'argent de 50 nm ont donné de bien meilleurs résultats, créant des structures plus denses et plus uniformes, conduisant à des batteries avec une plus grande stabilité et une puissance de sortie plus élevée.

« Ces résultats peuvent éclairer la stratégie de fabrication de ces intercalaires.

En réduisant la taille des particules d'argent, nous pouvons nous assurer que nous obtenons uniquement les avantages de l'argent dans la couche intermédiaire, ce qui, à son tour, pourrait nous permettre d'obtenir un bon contact et un placage uniforme même à basse pression.

Parc Se Hwan - Pchercheur ostdoctoral à l'Université de Princeton

Construire de meilleures batteries à semi-conducteurs

Pendant longtemps, le concept de batterie à l’état solide a eu du mal à sortir du laboratoire et à arriver en usine, avec une production à grande échelle.

Les choses sont en train de changer, avec des pays comme la Chine, le Japon et la Corée du Sud qui envisagent à court terme de commercialiser des batteries à semi-conducteurs.

Par exemple :

• Samsung SDI (006400.KS) s'est engagé à commencer à produire en masse des batteries à l'état solide d'ici 2027
• Hyundai (HYMTF) cherche en production de masse d'ici 2030
• Toyota (TM ) a un objectif de production de masse de 2028, actualisant son objectif précédent de 2030.

 « Le défi sera de passer de la recherche à la pratique en quelques années seulement. Espérons que le travail que nous menons actuellement à MUSIQUE (Compréhension mécano-chimique des conducteurs ioniques solides) peut soutenir le développement et le déploiement de ces batteries de nouvelle génération à une échelle significativement grande. »

Par Kelsey Hatzell – Professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial]

Investir dans des technologies de batterie avancées

Les batteries sont au centre de la tendance à l’électrification, elle-même un projet majeur de plusieurs milliards de dollars visant à éliminer les combustibles fossiles de nos sources d’énergie.

Vous pouvez investir dans des sociétés liées aux batteries par l'intermédiaire de nombreux courtiers, et vous pouvez trouver ici, sur titres.io, nos recommandations des 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 de batteries 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.

Entreprise de batteries à semi-conducteurs

QuantumScape

Depuis sa fondation en 2010, la société californienne Quantum Scape est une startup de premier plan dans le domaine des batteries à semi-conducteurs, remarquable par son entrée précoce dans le domaine et son indépendance par rapport aux grands fabricants de batteries qui poursuivent également la technologie à semi-conducteurs, comme CATL (300750.SZ), Samsung ou LG Energy Solution (373220.KS).

Source: QuantumScape

L'une des caractéristiques uniques des batteries QuantumScape, considérée à l'époque comme révolutionnaire, est qu'elles utilisent une conception sans anode. Elle permet une charge rapide d'environ 15 minutes (10-80 % à 45 ºC) et le séparateur est ininflammable et incombustible.

Source: QuantumScape

Cela place également les batteries QuantumScape dans une catégorie à part en matière de densité énergétique et de vitesse de charge, surpassant largement les leaders comme Tesla (à la fois sa propre conception et celles fabriquées par CATL).

Source: QuantumScape

Ces performances remarquables ont toutefois été régulièrement entravées par une difficulté à accélérer la production. Cela a également forcé l'entreprise à brûler ses liquidités, ce qui a entraîné une dilution des investisseurs précédents et une baisse du cours de l'action.

Cela semble changer, puisque l'accord de 2024 avec PowerCo, la division batteries du groupe Volkswagen, pour un accord de licence pour la conception et la production en série des batteries QuantumScape par PowerCo.

En vertu de l'accord de licence non exclusif, PowerCo peut fabriquer jusqu'à 40 gigawattheures par an de batteries de véhicules électriques, avec la possibilité d'augmenter jusqu'à 80 GWh par an.

L’augmentation soudaine de la production de QuantumScape semble être liée à Cobra, l'entreprise équipement séparateur de batterie à semi-conducteurs de nouvelle génération, une percée dans la fabrication de la céramique.

Globalement, Cobra devrait être intégré à la production en 2025 et le premier véhicule électrique fini utilisant des batteries QuantumScape devrait être produit en 2026.

Source: QuantumScape

Cela pourrait être un tournant pour l'entreprise, passant 16 ans après sa création d'une startup prometteuse avec une propriété intellectuelle intéressante à la génération de revenus croissants grâce à un partenariat avec l'un des plus grands constructeurs automobiles au monde.

En attendant, les investisseurs doivent encore s’attendre à une certaine volatilité du cours de l’action, mais avec une lumière au bout du tunnel du développement du produit.

Dernières nouvelles sur QuantumScape

Référence de l'étude :

^{1. Parc Se Hwan, et al. (2025) Défaillance induite par un filament dans les batteries à semi-conducteurs sans réservoir de lithium. ACS Energy Letters. 22 février 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004} 

^{2. Parc Se Hwan, et al. (2024). Cinétique du lithium dans la couche intermédiaire poreuse Ag–C dans les batteries à semi-conducteurs sans réservoir. Matériau énergétique avancé. 19 décembre 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129} 

^{3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Électro-chimio-mécanique des batteries à l'état solide sans anode. Nature Materials. 02 janvier 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z}