Énergie
Les batteries à l'état solide au sodium et à l'hydrogène défient le lithium
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Au-delà du lithium-ion
Avec l'électrification de toutes les formes de transport, en commençant par les voitures, et bientôt englobant également les camions, les navires et peut-être même les avions, le stockage par batterie est devenu la clé technologie de la décennie.
La technologie lithium-ion était initialement dominée, grâce à l'expérience acquise dans sa fabrication pour les petits appareils électroniques et aux propriétés électriques inhérentes au lithium.
Cependant, la technologie lithium-ion présente quelques problèmes clés qui pourraient limiter son adoption :
- Il est plus cher et plus rare que les autres métaux, ce qui limite potentiellement son application aux batteries à ultra-haute densité ou aux produits haut de gamme.
- Il a tendance à former des dendrites métalliques qui peuvent provoquer des pannes catastrophiques et des incendies de batterie.
- Il fonctionne mal à des températures glaciales, ce qui le rend inadapté aux climats froids et au stockage fixe dans les régions froides.
Pour toutes ces raisons, les scientifiques et les fabricants de batteries explorent des solutions chimiques alternatives. L'une d'elles consiste à utiliser le sodium, l'un des composants du sel marin, très abondant et bon marché.
Les batteries sodium-ion atteindront bientôt le stade de la production de masse, avec la société CATL (300750.SZ) à la pointe dans ce domaine.
« Il ne s'agit pas de choisir entre sodium et lithium. Nous avons besoin des deux. Pour imaginer les solutions de stockage d'énergie de demain, il faut imaginer qu'une même gigantesque usine puisse produire des produits à base de lithium et de sodium. »
Shirley Meng- Professeur en ingénierie moléculaire à l'UChicago PME.
Cependant, les batteries lithium-ion et sodium-ion devraient constituer un tremplin vers une forme supérieure de technologie de batterie : batteries à semi-conducteurs.
Initialement axée sur le lithium, la technologie du solide évolue désormais vers de nouvelles directions. Par exemple, nous avons déjà évoqué la possibilité d'une batterie à l'état solide sans anode à base de sodium.
Une nouvelle étude a révélé qu'une forme métastable d'électrolyte solide au sodium pourrait être utilisée pour créer des batteries au sodium à l'état solide qui sont non seulement plus denses en énergie, mais qui maintiennent également leurs performances même à des températures inférieures à zéro.
Ce travail a été réalisé par des scientifiques de l'Université de Californie, de l'Université de Chicago et de l'Université nationale des sciences et technologies de Taiwan, et a été publié dans la revue Joule.1 sous le titre "Closo-hydridoborates de sodium métastables pour batteries tout solide à cathodes épaisses ».
Les défis des électrolytes solides
Dans une batterie « normale », la cathode et l'anode sont séparées par un électrolyte liquide. Cet électrolyte est très utile, mais aussi très lourd, et constitue la principale cause d'incendie dans les batteries défectueuses.
C'est pourquoi le remplacer par une couche de matériau solide rend la batterie non seulement beaucoup plus dense, mais aussi plus sûre. Cependant, maintenir la stabilité de cet électrolyte solide et éviter qu'il ne gonfle lors de la charge ou de la décharge (provoquant des fissures) posait problème.
Les électrolytes solides au sodium présentent un problème supplémentaire, car ils présentent une conductivité ionique limitée à température ambiante.
Une alternative pourrait consister à utiliser un matériau comme l'hydridoborate de sodium, connu pour sa conductivité ionique très élevée. Cependant, pour cela, sa forme métastable doit être conservée dans une batterie à grande échelle.
« Cette structure métastable de l'hydridoborate de sodium présente une conductivité ionique très élevée, au moins un ordre de grandeur supérieur à celle rapportée dans la littérature, et trois à quatre ordres de grandeur supérieur à celui du précurseur lui-même. »
Shirley Meng- Professeur en ingénierie moléculaire à l'UChicago PME.
Stabilisation des électrolytes solides au sodium
Lors de la production d'une batterie avec de l'hydridoborate de sodium, le matériau a tendance à évoluer vers une structure stable lors du refroidissement, séparant les molécules NaBH4 des molécules Na2B12H12.
Une forme métastable existe à haute température, mélangeant les 2 cristaux, permettant un mouvement beaucoup plus rapide du sodium dans la batterie, conduisant à une capacité électrique plus forte.
Source: Joule
Lors d'un refroidissement rapide, le matériau se métastable et le cristal conserve sa structure au lieu de retomber dans une forme stable. Ce type de refroidissement rapide, également appelé trempe, est une méthode essentielle utilisée en fabrication, notamment en métallurgie pour l'acier et d'autres métaux.
Source: Joule
Technique connue pour l'évolutivité
On savait déjà que la trempe (refroidissement rapide) était souvent une méthode efficace pour stabiliser une structure chimique. Cependant, cela n'avait jusqu'à présent jamais été démontré dans un électrolyte solide.
Le fait qu’il s’agisse d’une pratique communément acceptée pourrait grandement contribuer à rendre cette technique évolutive et adoptée par les fabricants de batteries.
« Depuis que cette technique est établie, nous sommes mieux en mesure de la développer à l’avenir.
Si vous proposez quelque chose de nouveau ou s’il est nécessaire de changer ou d’établir des processus, l’industrie sera plus réticente à l’accepter.
Sam Oh - Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR à Singapour.
Électrode épaisse et températures froides
La plupart des conceptions à semi-conducteurs tentent de concevoir une cathode ultra-mince pour maximiser la surface de contact et limiter la quantité de matériau « mort » qui ne stocke pas d’énergie.
La trempe résout ce problème en créant des pores permanents dans lesquels l’ion sodium peut circuler.
« L'association de cette phase métastable à une cathode de type O3 recouverte d'un électrolyte solide à base de chlorure permet de créer des cathodes épaisses à forte charge surfacique, ce qui place cette nouvelle conception au-delà des batteries au sodium précédentes. »
Sam Oh - Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR à Singapour.
Cela crée un potentiel de conception intéressant, car rendre l'électrode plus épaisse devrait, dans ce cas précis, améliorer la batterie, au lieu de la rendre plus mauvaise.
« Plus la cathode est épaisse, plus la densité énergétique théorique de la batterie (la quantité d'énergie retenue dans une zone spécifique) s'améliore. »
Sam Oh - Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR à Singapour.
Lors des tests de la cathode, les chercheurs ont constaté que les performances se maintenaient à température ambiante et même en dessous de zéro, ce qui constitue un avantage notable pour le fonctionnement en climat froid par rapport aux batteries Li-ion à électrolyte liquide conventionnelles, bien qu'une supériorité plus large au niveau du système par rapport aux batteries Li-ion commerciales n'ait pas encore été démontrée.
L'hydrogène comme porteur de charge
Lorsque l’on parle d’hydrogène en relation avec les transports et l’énergie verte, on fait généralement référence au dihydrogène (H2) et à sa combustion ou à son oxydation dans des moteurs dédiés ou des piles à combustible.
Mais l'hydrogène pourrait également devenir un composant clé des batteries à l'avenir, en remplacement du lithium ou du sodium. Dans ce cas, on utilise plutôt de l'hydrure (H-).
L’hydrogène étant l’élément le plus abondant de l’Univers, il pourrait être particulièrement utile pour un monde qui vise à être entièrement électrifié et à fonctionner à l’énergie verte et aux batteries.
Des chercheurs chinois de l'Université de l'Académie chinoise des sciences, de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC), de l'Université de Jilin et du Laboratoire clé d'État de catalyse de la République populaire de Chine ont révélé dans la prestigieuse revue scientifique Nature2 le concept d'une batterie hydrure-ion à l'état solide, sous le titre «Une batterie hydrure-ion entièrement solide rechargeable à température ambiante ».
Ions hydrures
Les batteries utilisent un porteur de charge négatif pour transporter les électrons entre l'anode et la cathode. En théorie, les ions hydrure (H−) sont plus énergétiques, polarisables et réactifs que les cations comme le lithium ou le sodium.
L'hydrogène est également le plus petit atome, ce qui le rend particulièrement léger, un point clé pour les batteries utilisées dans les transports.
Cependant, malgré ces avantages bien connus, les ions hydrure n’ont pas encore été utilisés dans les batteries, car aucun électrolyte n’a été capable de fournir la combinaison de mouvement ionique rapide, de stabilité thermique et de compatibilité des électrodes que ces systèmes exigent.
Combiner la conductivité à la stabilité
Les chercheurs ont synthétisé un nouvel hydrure composite cœur-coquille, 3CeH3@BaH2, où un mince BaH2 la coquille encapsule CeH3. Cette structure exploite la conductivité élevée des ions hydrures de CeH3 et la stabilité de BaH2.
En utilisant ce composite de coque comme élément de base, les chercheurs ont créé un CeH2|3CeH3@BaH2|NaAlH4 prototype d'ion hydrure tout solide. NaAlH4, un matériau classique de stockage d'hydrogène, a été utilisé comme composant actif de la cathode.
Supprimer définitivement les dendrites ?
Outre leur grande capacité énergétique, les ions hydrures présentent un autre avantage majeur : contrairement aux cations métalliques, ils ne peuvent pas s'assembler entre eux pour former des dendrites, cause principale de la plupart des pannes de batterie après trop de cycles de charge-décharge, provoquant des courts-circuits et des incendies.
Cela pourrait donc être la solution pour un stockage d’énergie sûr, efficace et durable.
Cependant, cette technologie est beaucoup moins mature que les batteries au lithium ou même au sodium, des progrès étant nécessaires dans la durabilité de cette conception.
Pour l'instant, les chercheurs ont réussi à créer une densité énergétique élevée de 984 mAh/g à température ambiante. Cependant, la capacité de la batterie a chuté à 402 mAh/g après seulement 20 cycles.
L'avenir des batteries à semi-conducteurs
À court terme, les batteries utilisant la technologie lithium-ion devraient rester la base de l’énergie verte et des véhicules électriques.
Toutefois, à moyen terme, les batteries à l’état solide ou au sodium (et au sodium à l’état solide) pourraient supplanter la domination des batteries lithium-ion, surtout si elles parviennent à offrir une densité énergétique suffisamment élevée à un prix inférieur.
La charge rapide des batteries à semi-conducteurs pourrait également être un argument pour les conducteurs réticents à passer aux véhicules électriques ou aux applications commerciales.
La durabilité et la tolérance aux températures froides seront également un facteur dans l’équation, avec potentiellement un large éventail de chimies de batteries parallèles coexistant tout au long des années 2030, avec certaines batteries spécialisées pour les véhicules électriques dans les climats froids.
Vous pouvez en savoir plus sur ces sujets dans nos articles suivants :
Glissez pour faire défiler →
| Type de pile | Densité d'énergie | Cycle de vie | Prix | Maturité |
|---|---|---|---|---|
| Lithium-Ion | 250-300 Wh/kg | 1,000 XNUMX+ cycles | Haute | Commerciales |
| Sodium-Ion | 160-200 Wh/kg | 1,000 XNUMX+ cycles | Coût en adjuvantation plus élevé. | Mise à l'échelle (CATL) |
| État solide (lithium) | 350-500 Wh/kg | > 2 000 cycles (cible) | Élevé (R&D) | Pilote (2026-27) |
| Ion hydrure | 984 mAh/g (prototype) | 20 cycles (courant) | Inconnu | Recherche précoce |
État solide Entreprise de batteries
QuantumScape
(QS )
Depuis sa fondation en 2010, Californian QuantumScape 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, qui au moment de leur révélation était considérée comme révolutionnaire, est qu’elles utilisent une conception sans anode.
Il 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
Cependant, ces performances remarquables ont été régulièrement freinées par des difficultés à accélérer la production. Cela a également contraint l'entreprise à puiser dans ses liquidités, entraînant une dilution des investisseurs précédents et une baisse du cours de l'action.
Cela semble changer depuis 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 est liée à Cobra, l'équipement séparateur de batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération de la société, une percée dans la fabrication de la céramique.
Dans l’ensemble, 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.
La relation avec PowerCo se rapproche en 2025(la prise en charge batteries à semi-conducteurs utilisées dans une moto Ducati, et PowerCo versera jusqu'à 131 millions de dollars de nouveaux paiements au cours des deux prochaines années, une fois que l'équipe de mise à l'échelle conjointe aura atteint certaines étapes importantes.
« Cet accord élargi est un signal clair de l’alignement stratégique, technique et financier croissant entre les deux sociétés.
Cela reflète notre confiance commune dans QSE-5 en tant que plateforme révolutionnaire pour l'industrie des batteries. »
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.
(Vous pouvez également consulter d'autres sociétés de batteries aux États-Unis et à l'étranger dans notre article
"Top 10 des actions de batteries dans lesquelles investir»).
Étude référencée
1. Jin An Sam Oh, et al. Closo-hydridoborates de sodium métastables pour batteries tout solide à cathodes épaisses. Joule. 102130. 16 septembre 2025. https://www.cell.com/joule/abstract/S2542-4351(25)00311-3
2. Jirong Cui et coll. Une batterie hydrure-ion entièrement solide rechargeable à température ambiante. Nature. 17 septembre 2025. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09561-3
