Énergie
Une nouvelle stratégie d'interface améliore le flux d'ions dans les batteries à semi-conducteurs
Les batteries lithium-ion sont devenues la norme mondiale. Aujourd'hui, c'est le type de batterie le plus populaire et le plus utilisé, avec un marché estimé à environ 65 milliards de dollars en 2023
Mais, bien sûr, ils ne sont pas sans inconvénients, notamment la sensibilité à la température, les problèmes de sécurité et la durée de vie limitée.
Pour rendre les batteries Li-ion plus sûres et plus puissantes, les électrolytes liquides sont remplacés par des électrolytes solides pour créer des batteries à l'état solide, dont le marché est projetée croître à un TCAC de 41.6 % entre 2024 et 2032.
Passage aux batteries à semi-conducteurs (SSB)
Dans une batterie, l’électrolyte est le matériau qui permet aux ions de se déplacer dans l’appareil pour générer de l’énergie.
Ainsi, une batterie dotée d'un électrolyte solide est une batterie à l'état solide, qui offre une densité énergétique plus élevée, une charge plus rapide, une résistance à la température, une durée de vie plus longue et une sécurité renforcée.
Malgré leurs promesses, les SSB sont confrontés à plusieurs défis, notamment une fabrication complexe et des problèmes de sécurité potentiels liés à la formation de dendrites. De plus, ils peuvent subir un délaminage interfacial, ce qui limite leurs performances et leur durée de vie. L'ensemble de ces limitations freine leur adoption généralisée.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs et les entreprises du monde entier travaillent activement à faire progresser la technologie.
Par exemple, Samsung SDI est ciblage une densité énergétique de 900 Wh/L grâce à ses technologies propriétaires d'électrolyte solide et sans anode, soit 40 % de plus que ses batteries actuelles.
Les géants chinois CATL et BYD font également des progrès significatifs dans la technologie SSB, le premier travaillant sur une « batterie à l'état condensé » hybride et le second recherchant des électrolytes solides à base d'oxyde et de sulfure, tous deux ciblant une densité énergétique de 500 Wh/kg.
Dans l’UE, Volkswagen s’est associé à QuantumScape (QS )Son unité de batteries, PowerCo, a également obtenu un accord de licence pour produire en masse des cellules à semi-conducteurs d'une capacité initiale de 40 GWh par an, avec une autonomie supérieure de 30 % et une charge ultra-rapide.
Nissan prévoit de lancer la production en série de ses premières cellules à semi-conducteurs avant la fin de la décennie, tandis que LG vise la commercialisation en 2030. Solid Power, quant à lui, s'est associé à Ford (F ), BMW et SK Innovation accélèrent la commercialisation de la technologie des batteries entièrement solides en mettant l'accent sur les électrolytes solides à base de sulfure pour les véhicules électriques.
Plus tôt ce mois-ci, la multinationale automobile allemande Mercedes-Benz Group AG (anciennement Daimler) dévoilé La première voiture équipée d'un SSB lithium-métal sur la route. Le prototype SSB a été intégré à une EQS à la fin de l'année dernière.
Le SSB d'un véhicule basé sur l'EQS peut augmenter l'autonomie de conduite de 25 %, a noté la société.
Bien que les SSB soient en cours de développement, leur commercialisation ne se fera pas avant plusieurs années. Entre-temps, une équipe de chercheurs de l'Université du Texas à Dallas a découvert un moyen d'améliorer les performances des batteries à semi-conducteurs.
Amélioration de la conductivité ionique dans les SSB
Publié dans ACS Energy Letters, la dernière étude détaille les découverte d'une conductivité ionique améliorée1 lors du mélange d'un électrolyte solide avec un autre solide.
Cette conductivité ionique accrue est due à la formation d'une couche de charge d'espace à l'interface, offrant une nouvelle stratégie pour le développement de conducteurs ioniques rapides pour les SSB. La « couche de charge d'espace », résultant du mélange de fines particules entre deux électrolytes solides, est une accumulation de charges électriques à l'interface entre les deux matériaux.
Lorsque des électrolytes solides, séparés, entrent en contact physique, une couche se forme à leur limite. À cette limite, des particules chargées s'accumulent en raison des différences de potentiel chimique de chaque matériau.
La couche contribue ensuite à créer des voies qui facilitent le déplacement de ces particules ou ions chargés à travers l'interface. Selon le Dr Laisuo Su, co-auteur de l'étude et professeur adjoint de science et d'ingénierie des matériaux à l'École d'ingénierie et d'informatique Erik Jonsson :
« Imaginez mélanger deux ingrédients dans une recette et obtenir de manière inattendue un résultat meilleur que l’un ou l’autre ingrédient utilisé seul. »
Il a ajouté:
« Cet effet a amplifié le mouvement des ions au-delà de ce que chaque matériau pouvait réaliser par lui-même », a-t-il ajouté.
Les recherches du Dr Su portent sur le développement de matériaux révolutionnaires pour les dispositifs d'énergie renouvelable dans le domaine des batteries rechargeables. Outre son intérêt particulier pour les électrolytes, solides et liquides, ainsi que pour l'interface électrolyte-électrode, où se produisent des réactions cruciales, il travaille à la conception d'outils avancés pour surveiller les réactions chimiques et électrochimiques se produisant dans les équipements d'énergie renouvelable.
« Cette découverte suggère une nouvelle façon de concevoir de meilleurs électrolytes solides en choisissant soigneusement des matériaux qui interagissent d'une manière qui améliore le mouvement ionique, conduisant potentiellement à des batteries à l'état solide plus performantes. »
– Dr Su
Dans le cadre de l'initiative Batteries and Energy to Advance Commercialization and National Security (BEACONS) de l'UTD, qui a reçu un financement de 30 millions de dollars du ministère de la Défense lors de son lancement en 2023, le projet vise à développer et à commercialiser de nouvelles technologies de batteries et de nouveaux procédés de fabrication, à améliorer la disponibilité nationale des matières premières critiques et à former des travailleurs de haute qualité pour l'industrie.
Selon le co-auteur correspondant de l'étude, le Dr Kyeongjae Cho, qui est également professeur de science et d'ingénierie des matériaux et directeur de BEACONS :
« La technologie des batteries à semi-conducteurs fait partie de nos recherches sur les chimies de batteries de nouvelle génération au centre BEACONS, et elle devrait permettre aux systèmes de batteries avancés d'améliorer les performances des drones pour les applications de défense. »
Les batteries lithium-ion actuellement utilisées dans les produits de consommation contiennent principalement des électrolytes liquides, qui sont inflammables et présentent donc des problèmes de sécurité.
Alors que les batteries Li-ion conventionnelles atteignent leur limite théorique de stockage d'énergie, les SSB, selon Su, promettent de produire et de stocker plus de deux fois plus d'énergie que les batteries à électrolyte liquide. De plus, comme elles ne sont pas inflammables, elles sont également plus sûres.
Cependant, le déplacement des ions à travers les matériaux solides est difficile, ce qui crée des défis dans sdéveloppement de batteries à l'état solide.
Les chercheurs ont donc étudié les performances de deux composés électrolytes solides (SSE) prometteurs : le chlorure de lithium-zirconium (Li₂ZrCl₃) et le chlorure de lithium-yttrium (Li₃YCl₃).
Les chercheurs ont ensuite proposé une théorie expliquant pourquoi le mélange de ces éléments stimulait l'activité ionique. « L'interface formait des canaux uniques pour le transport des ions », a expliqué Su.
À l’avenir, les chercheurs continueront d’étudier comment la composition ainsi que la structure de l’interface entraînent une plus grande conductivité ionique.
S'attaquer au problème des dendrites dans les SSB
Le besoin de batteries à densité énergétique plus élevée a conduit une autre équipe de chercheurs à se pencher sur le problème crucial des dendrites. Initialement, on pensait que les dendrites ne pouvaient pas pénétrer l'électrolyte solide. Mais, à l'instar d'autres architectures de batteries, elles constituent également un problème pour les batteries tout solide.
Une équipe d'ingénieurs et de scientifiques des matériaux de plusieurs institutions en Chine a découvert2 La fatigue du métal à l'anode est l'une des principales causes de défaillance des SSB au fil du temps. Elle contribue également à la dégradation de l'interface et à la croissance des dendrites.
Le groupe a utilisé la microscopie électronique à balayage et des simulations de champ de phase pour étudier la croissance des dendrites dans les SSB au lithium.
Ils ont découvert que, lors de la charge et de la recharge, le gonflement et la contraction constants du lithium provoquaient une fatigue du métal à l'anode, favorisant ainsi la croissance des dendrites. Plus précisément, ces dilatations et contractions constantes entraînaient le développement de microvides et de fissures à l'anode, responsables de la croissance et de la dégradation des dendrites, même à faible densité.
Quant à ce qu'est une dendrite, c'est une structure en forme d'arbre qui se forme en raison de réactions chimiques à la surface de l'anode.
Les anodes d'une batterie subissent des processus de placage et de décapage du lithium lors des cycles de charge et de décharge. Lors de ce processus réversible, les ions lithium se déposent sur la surface de l'anode (placage) et sont retirés (décapage) lors des cycles normaux de charge et de décharge de la batterie.
Cependant, un dépôt non uniforme d'ions lithium à la surface de l'anode tend à créer des sites qui attirent davantage d'ions lithium, ce qui entraîne l'allongement d'une chaîne d'ions lithium. Cette structure arborescente pénètre alors dans la batterie, la dégradant et provoquant un court-circuit.
Dans les SSB, la surface de contact entre le lithium métal et l'électrolyte solide est importante. Si des vides apparaissent dans l'électrolyte solide, le lithium métal les comble rapidement, provoquant une importante formation de dendrites et une propagation de fissures profondes dans l'électrolyte.
Alors, Haegyeom Kim, scientifique spécialiste des matériaux au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie, publié3 une solution à ce problème.
Leur étude détaille l'utilisation d'une double couche tampon étain-carbone sur le collecteur de courant pour prévenir la formation de dendrites dans les batteries tout solide (ASSB) au lithium sans anode. Dans cette architecture SSB, l'anode n'est pas construite au préalable, mais formée lors du premier cycle de charge sur le collecteur de courant par les ions lithium de la cathode, ce qui réduit la complexité, le poids et le coût.
Un article précédent de chercheurs de Samsung a montré la possibilité d'utiliser des couches d'argent et de carbone comme couche tampon dans les batteries au lithium, possédant un cycle de placage et de décapage du lithium très stable et uniforme.
Après avoir étudié les raisons de cette efficacité, l'équipe de Kim a découvert que l'argent est très lithophile et que les ions lithium s'alignent uniformément sur sa couche, même lorsqu'il y a de fortes concentrations de lithium, ce qui rend le placage de lithium très homogène tant que le dépôt d'argent est uniforme.
La compréhension du rôle du carbone dans ce domaine a toutefois constitué la base du nouveau travail, où l'équipe a sélectionné l'étain, qui fonctionne mieux que l'argent coûteux.
Pour déterminer le rôle du carbone, l'équipe a conçu plusieurs tests et utilisé quatre demi-cellules de batterie différentes : une avec une couche tampon en étain, une sans couche tampon, une avec de l'étain sur la couche tampon en carbone, et une avec du carbone sur la couche tampon en étain.
Les couches ont été déposées sur un collecteur de courant en acier inoxydable, et la couche tampon avec le carbone sur l'étain a montré les meilleures performances.
« Nous avons réalisé que l'étain agit comme une couche lithophile comme l'argent, donc le positionnement de l'étain est important, car c'est là que le placage se produit. »
-Kim
La couche de carbone s'est avérée lithophobe, ce qui signifie que les ions lithium peinaient à la traverser, préférant plutôt suivre le chemin inverse. Son placement sur l'étain a empêché la migration du lithium depuis la nouvelle couche de placage et a stoppé la pénétration des dendrites dans l'électrolyte.
Selon Kim :
« Il ne s'agit pas seulement des propriétés intrinsèques d'un matériau. La façon dont nous les combinons est essentielle, car elle peut modifier considérablement les propriétés de la couche barrière. »
L'équipe travaille désormais sur de nouvelles couches tampons offrant de meilleures performances, en effectuant des tests sur des cycles plus longs et en passant à des systèmes plus pratiques.
Supprimer les vides pour augmenter la longévité
Une autre avancée majeure pour rapprocher les SSB des applications du monde réel a été réalisée en comprenant pourquoi l'ajout de petites quantités de métaux comme le magnésium à l'anode améliore les performances de la batterie.
Bien que cela se produise fréquemment, on ne savait pas exactement pourquoi il en était ainsi jusqu'à présent.
Pour cela, des chercheurs de l'Université de Houston ont examiné tout ce qui se passe dans les SSB en utilisant la microscopie électronique à balayage operando pour comprendre pourquoi ils se décomposent et ce qui pourrait être fait pour ralentir ce processus.
« Cette recherche résout un mystère de longue date sur les raisons pour lesquelles les batteries à semi-conducteurs tombent parfois en panne », a déclaré l'auteur correspondant Yan Yao, professeur distingué Hugh Roy et Lillie Cranz Cullen de génie électrique et informatique et chercheur principal au Texas Center for Superconductivity.
Leur découverte4Selon Yao, cela permet aux SSB de fonctionner sous une pression plus faible. Cela peut potentiellement réduire le besoin d'un boîtier externe volumineux et améliorer la sécurité globale.
On a constaté qu'avec le temps, de minuscules vides se forment dans la batterie, créant un grand espace vide, ce qui entraîne sa défaillance. Plusieurs essais ont révélé que le simple ajout d'une petite quantité d'éléments comme le magnésium (Mg) peut combler ces vides et permettre à la batterie de continuer à fonctionner.
« Avec juste une petite modification de la chimie de la batterie, nous pouvons améliorer considérablement ses performances, en particulier dans des conditions pratiques comme la basse pression. »
– Premier auteur, Lihong Zhao, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'UH
Les SSB ont besoin d'une pression de pile externe élevée pour rester intactes pendant leur fonctionnement, mais comme l'a noté Zhao, « en ajustant soigneusement la chimie de la batterie, nous pouvons réduire considérablement la pression nécessaire pour la maintenir stable ».
Des chercheurs de l'Université du Missouri ont quant à eux utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage quadridimensionnel (4D STEM) pour Evaluer la structure atomique de la batterie.
Ils ont découvert que lorsque l'électrolyte solide touche la cathode, il réagit et forme une couche interphase d'une épaisseur de 100 nm, qui empêche les ions lithium et les électrons de se déplacer facilement, limitant ainsi les performances de la batterie.
L'équipe de recherche prévoit désormais de tester si les matériaux en couches minces formés par un procédé de dépôt en phase vapeur (oMLD) peuvent fournir un revêtement protecteur « suffisamment fin pour empêcher les réactions » entre l'électrolyte solide et les matériaux de la cathode, « mais pas si épais qu'ils bloquent le flux d'ions lithium ».
Utilisation de l'IA pour aider la recherche et le développement de la SSB
Avec l'intelligence artificielle transforme les industries, il est logique que les chercheurs fassent également appel à son aide pour résoudre le problème de la recherche et du développement SSB, qui nécessitent beaucoup de ressources et de temps.
L’environnement chimique complexe du SSB rend en réalité la prédiction des performances difficile et retarde l’industrialisation à grande échelle.
Dans une étude5 La semaine dernière, des ingénieurs des universités de Soochow et de Nanjing, en Chine, ont souligné le potentiel de l'IA pour permettre un criblage efficace des matériaux et une prédiction de leurs performances. Les dernières avancées en matière d'algorithmes d'apprentissage automatique (ML), ont-ils souligné, peuvent être utilisées pour exploiter de vastes bases de données de matériaux et accélérer la découverte de matériaux hautes performances adaptés aux SSB.
Le développement rapide de la technologie de l'IA, selon l'étude, fournit de nouvelles idées pour relever les principaux défis des SSB, à savoir l'interface anodique, l'interface cathodique, la synthèse et la découverte d'électrolytes et la fabrication de batteries.
Les chercheurs de Skoltech et de l'Institut AIRI ont également exploité les réseaux neuronaux et ont découvert qu'ils étaient capables d'identifier des matériaux prometteurs pour l'électrolyte solide ainsi que ses revêtements protecteurs.
« Nous avons démontré que les réseaux neuronaux graphiques peuvent identifier de nouveaux matériaux de batterie à l'état solide avec une mobilité ionique élevée et le faire des ordres de grandeur plus rapidement que les méthodes traditionnelles de chimie quantique », accélérant potentiellement le développement de nouveaux matériaux de batterie, a déclaré l'auteur principal, Artem Dembitskiy.
En utilisant l’approche accélérée par l’apprentissage automatique, les chercheurs ont identifié les composés Li3AlF6 et Li2ZnCl4 comme matériaux de revêtement prometteurs pour le conducteur au lithium superionique Li10GeP2S12.
Investir dans la technologie SSB
Lorsqu'il s'agit d'investir dans une entreprise qui fait progresser activement la technologie des batteries à semi-conducteurs, Toyota (TM ) offre un potentiel solide.
Le constructeur automobile basé au Japon s'est associé à Panasonic pour Format Une coentreprise baptisée Prime Planet Energy & Solutions, spécialisée dans les électrolytes solides à base de sulfure. L'entreprise prévoit de démarrer la production l'année prochaine, la production de masse n'étant pas prévue avant 2030. Elle vise une autonomie de 1,000 10 km, une recharge rapide en 9 minutes et une capacité annuelle de XNUMX GWh.
Elle s'est également associée à Idemitsu Kosan pour produire en masse des électrolytes à base de sulfure d'ici 2027-2028.
Toyota Motor Corp (TM )
L'aventure de Toyota avec les batteries à semi-conducteurs a commencé il y a près de deux décennies avec la création d'une division de recherche sur les batteries, dont le but est de développer des batteries de nouvelle génération pour les véhicules hybrides et électriques.
Toyota Motors a affiché une performance boursière plutôt solide, son action s'échangeant actuellement à 183.60 $. Malgré une baisse de 4.87 % depuis le début de l'année, elle a progressé de plus de 17 % depuis son plus bas d'avril. L'année dernière, en mars, le cours de l'action avait franchi la barre des 255 $ pour atteindre un nouveau sommet.
(TM )
Avec une capitalisation boursière de 292.4 milliards de dollars, le BPA de Toyota (sur les douze derniers mois) s'élève à 24.01 et son PER (sur les douze derniers mois) à 7.71. L'entreprise offre même un rendement de dividende attractif de 3.27 %.
Résultats financiers de la société pour le premier trimestre 1 montré Son chiffre d'affaires net a augmenté de 6.5 % pour atteindre 314 milliards de dollars, tandis que son résultat d'exploitation a diminué de plus de 15 % pour atteindre 31.3 milliards de dollars. Au cours de cette période, la société a vendu un total d'environ 9,362,000 81,000 XNUMX unités. Malgré une baisse des ventes de XNUMX XNUMX unités au cours du trimestre, Toyota est restée la marque la plus vendue.
Cela survient après que Toyota a vendu 10.8 millions de véhicules en 2024 pour devenir le leader mondial meilleures ventes constructeur automobile pour la cinquième année consécutive.
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Conclusion : L’avenir des batteries à semi-conducteurs
Les batteries à semi-conducteurs promettent de nombreux avantages par rapport aux batteries au lithium, largement répandues. Bien qu'elles offrent une sécurité, une densité énergétique et une longévité supérieures, des problèmes tels que la délamination interfaciale et la formation de dendrites freinent encore leur adoption massive.
Ici, la dernière découverte selon laquelle le mélange de certains électrolytes solides crée une « couche de charge d'espace », améliorant la mobilité ionique, représente une nouvelle voie prometteuse. Grâce à ces avancées, conjuguées aux expérimentations constantes des entreprises, la SSB peut enfin être viable pour une utilisation concrète dans les appareils mobiles et les véhicules électriques.
Études référencées :
1. Wang, B., Limon, MSR, Zhou, Y., Cho, K., Ahmad, Z., & Su, L. (2025). 1 + 1 > 2 Effet induit par la charge d'espace dans les électrolytes solides. ACS Energy Letters, 10 (3), 1255 – 1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398
2. Wang, T., Chen, B., Liu, Y., Song, Z., Wang, Z., Chen, Y., Yu, Q., Wen, J., Dai, Y., Kang, Q., Pei, F., Xu, R., Luo, W., et Huang, Y. (2025). Fatigue de l'anode métallique Li dans les batteries à semi-conducteurs. Science, 388 (6744), 311 – 316. https://doi.org/10.1126/science.adq6807
3. Avvaru, VS, Ogunfunmi, T., Jeong, S., Diallo, MS, Watt, J., Scott, MC, & Kim, H. (2025). Couche tampon double étain-carbone pour supprimer la croissance des dendrites de lithium dans les batteries tout solide. ACS Nano, 19 (18), 17347 – 17356. https://doi.org/10.1021/acsnano.4c16271
4. Zhao, L., Feng, M., Wu, C. et al. Imagerie de l'évolution de l'interface lithium-électrolyte solide à l'aide de la microscopie électronique à balayage operando. Nat Commun 16, 4283 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-59567-8
5. Wang, S., Liu, J., Song, X. et al. L'intelligence artificielle permet aux batteries à semi-conducteurs de cribler les matériaux et d'évaluer les performances. Nano-Micro Lett. 17, 287 (2025). https://doi.org/10.1007/s40820-025-01797-y
