Qu'est-ce qu'une batterie à état solide ?
2025-02-20
Les batteries à état solide sont un type de technologie de batterie. Contrairement aux batteries lithium-ion et aux batteries lithium-ion polymère couramment utilisées aujourd'hui, les batteries à état solide utilisent des électrodes solides et des électrolytes solides.
Dans cet article, nous présenterons en détail la définition, le principe de fonctionnement, les avantages et les défis futurs du développement des batteries à état solide.
Définition : Les batteries à état solide désignent des batteries utilisant des électrodes solides et des électrolytes solides, contrairement aux électrolytes liquides traditionnels. Cette technologie de batterie a suscité une attention et des recherches considérables ces dernières années et est considérée comme une technologie clé qui pourrait remplacer les batteries lithium-ion dominantes actuelles.
Les batteries à état solide sont des batteries qui utilisent des électrodes solides et des électrolytes solides. Les batteries à état solide ont généralement une densité de puissance plus faible et une densité d'énergie plus élevée. Étant donné que les batteries à état solide présentent un rapport puissance/poids relativement élevé, elles sont idéales pour les véhicules électriques.
Principe de fonctionnement des batteries à état solide
La batterie lithium traditionnelle liquide est aussi surnommée "batterie à rocking-chair" par les scientifiques. Les deux extrémités du rocking-chair représentent les pôles positif et négatif de la batterie, et l'électrolyte (liquide) se trouve au centre. Les ions lithium sont comme des athlètes exceptionnels, se déplaçant d'un bout à l'autre du rocking-chair. Dans le processus de déplacement des ions lithium du pôle positif vers le pôle négatif, puis de retour vers le pôle positif, le processus de charge et de décharge de la batterie est accompli.
Le principe de la batterie à état solide est le même, à la différence près que son électrolyte est solide, et sa densité ainsi que sa structure permettent à un plus grand nombre d'ions chargés de se concentrer à une extrémité, de conduire un courant plus élevé et d'augmenter ainsi la capacité de la batterie. Par conséquent, pour la même quantité d'électricité, le volume de la batterie à état solide sera réduit. De plus, étant donné qu'il n'y a pas d'électrolyte dans la batterie à état solide, l'étanchéité devient plus facile. Lorsqu'elle est utilisée sur de grands équipements comme les automobiles, il n'est pas nécessaire d'ajouter des tuyaux de refroidissement supplémentaires, des contrôles électroniques, etc., ce qui non seulement réduit les coûts, mais permet également de diminuer efficacement le poids.
Avantages des batteries à état solide
Avantage 1
Légèreté - Haute densité d'énergie. Après l'utilisation d'électrolytes tout-solide, le système de matériaux applicable des batteries lithium-ion changera également. L'élément clé réside dans le fait qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des électrodes négatives en graphite imprégné de lithium, mais d'utiliser directement du lithium métallique comme électrode négative, ce qui peut réduire de manière significative la quantité de matériaux utilisés pour l'électrode négative, améliorant ainsi considérablement la densité énergétique de la batterie dans son ensemble.
Avantage 2
Finesse - Petit volume. Dans les batteries lithium-ion traditionnelles, des séparateurs et des électrolytes sont nécessaires, occupant à eux seuls près de 40 % du volume et 25 % de la masse de la batterie. Si ces composants sont remplacés par des électrolytes solides (principalement des matériaux céramiques organiques et inorganiques), la distance entre les électrodes positives et négatives (qui étaient traditionnellement remplies d'électrolytes et de diaphragmes, mais maintenant remplies d'électrolytes solides) peut être réduite à seulement quelques microns ou une dizaine de microns, permettant ainsi une réduction considérable de l'épaisseur de la batterie. Par conséquent, la technologie des batteries tout-solide est la seule voie pour miniaturiser et rendre les batteries plus fines.
Avantage 3
Perspectives de flexibilité. Même les matériaux céramiques fragiles peuvent souvent être courbés lorsque leur épaisseur est réduite à moins de millimètres, et le matériau devient flexible. En conséquence, la flexibilité des batteries tout-solide sera considérablement améliorée après avoir été rendues plus minces et légères. En utilisant des matériaux d'emballage appropriés (pas des coquilles rigides), les batteries fabriquées peuvent supporter des centaines à des milliers de flexions sans compromettre leurs performances.
Avantage 4
Plus sûr
Les batteries lithium traditionnelles peuvent présenter les dangers suivants :
(1) Des dendrites de lithium peuvent apparaître lors de l'utilisation sous courant élevé, ce qui peut percer le séparateur et provoquer des courts-circuits et des dommages.
(2) L'électrolyte est un liquide organique, qui a tendance à provoquer des réactions secondaires, une décomposition oxydative, la génération de gaz et la combustion à haute température.
Les deux problèmes ci-dessus peuvent être résolus directement en utilisant la technologie des batteries tout-solide.
Les deux problèmes ci-dessus peuvent être résolus directement en utilisant la technologie des batteries tout-solide.
Raisons du développement des batteries à état solide
Le principal facteur limitant des batteries que nous utilisons actuellement est l'électrolyte liquide, qui est composé de solvants organiques, de sels de lithium et de certains additifs. Il joue le rôle de transport des ions et de conduction du courant. Cependant, ces solvants organiques ont une faible solubilité, une résistance à la corrosion et à l'oxydation médiocre. Leur existence ne permet pas de résoudre le problème des dendrites de lithium. Une fois que la cristallisation se produit, elle peut percer le séparateur, et les électrodes positive et négative entreront en contact direct, provoquant ainsi un emballement thermique.
(a Dendrites de lithium en forme de moustache, b Dendrites de lithium en forme de mousse, c Dendrites de lithium, d Dendrites de lithium sphériques)
De plus, la présence de l'électrolyte limite également l'utilisation des matériaux des électrodes positives et négatives. Les batteries que nous utilisons actuellement utilisent généralement des électrodes négatives en graphite. Vous pouvez le comprendre comme un conteneur. Lorsque les ions lithium y pénètrent, c'est comme une maison qui les abrite. En raison du graphite en tant que contrainte de structure, l'interface SEI (interface électrolyte solide) à la surface de la maison devient contrôlable. La limite théorique de la densité énergétique des batteries ternaires que nous voyons actuellement est d'environ 250-300 Wh/kg.
Si un milieu tout-solide est utilisé au lieu du liquide, le séparateur peut être complètement éliminé, et il n'est plus nécessaire de s'inquiéter du contact direct entre les électrodes positive et négative et du court-circuit, car le milieu solide peut complètement bloquer physiquement les matériaux des électrodes positive et négative. Le problème des dendrites de lithium perçant la barrière peut être pratiquement résolu, et la sécurité est ainsi mieux garantie. Par conséquent, les batteries à état solide sont plus sûres et présentent une probabilité plus faible de provoquer un emballement thermique.
De plus, le choix des matériaux des électrodes positives et négatives devient plus diversifié, et elles peuvent être compatibles avec des électrodes à haute capacité spécifique, améliorant ainsi considérablement la capacité de la batterie. Par exemple, le matériau de l'électrode négative peut même être constitué de lithium pur : le "conteneur" peut être complètement éliminé, car le milieu solide ne réagit pas avec le lithium métallique, permettant ainsi de stocker davantage de lithium. En outre, il peut inhiber la croissance des dendrites de lithium. Comme il s'agit d'une interface dure-à-dure, la surface de l'électrode négative peut être forcée de se niveler, ce qui constitue l'une des raisons de sa haute densité énergétique. En théorie, la densité énergétique des batteries à état solide peut atteindre 500 Wh/kg, avec des batteries plus petites et une durée de vie de batterie plus longue.
Inconvénients et défis des batteries à état solide
● Faible maturité technologique:
La technologie des batteries à état solide dans son ensemble est encore au stade de la recherche et du développement et n'est pas encore pleinement mature.
● Coût de fabrication élevé:
Le coût de fabrication actuel des batteries à état solide est relativement élevé, principalement en raison de la difficulté technique élevée et de l'efficacité de production faible.
● Problème d'impédance à l'interface:
Le contact solide-solide entre l'électrolyte solide et le matériau de l'électrode peut entraîner une impédance d'interface plus élevée, affectant ainsi les performances de charge et de décharge de la batterie.
● Conductivité de l'électrolyte:
La conductivité des électrolytes solides est généralement inférieure à celle des électrolytes liquides, ce qui limite la densité de puissance et les capacités de charge rapide des batteries à état solide.
Développement des batteries à état solide
Depuis que Sony a introduit les batteries lithium-ion contenant des électrolytes liquides dans les appareils électroniques en 1991, les batteries lithium-liquide sont devenues l'une des technologies les plus matures et largement utilisées.
En 2010, Toyota a lancé une batterie à état solide offrant une autonomie de plus de 1 000 km. Les efforts de QuantumScape et Sakti3 tentent également de remplacer les batteries lithium traditionnelles par des batteries à état solide.
Le canadien Avestor a également tenté de développer des batteries lithium à état solide, mais a finalement déposé son bilan en 2006. Avestor utilisait un séparateur polymère pour remplacer l'électrolyte liquide de la batterie, mais n’a pas résolu le problème de sécurité. Plusieurs incidents d'incendie ou d'explosion de batteries ont eu lieu en Amérique du Nord.
Mi-mars 2015, James Dyson, l'inventeur de l'aspirateur et fondateur de la société britannique Dyson, a investi 15 millions de dollars dans la société de batteries à état solide Sakti3, une startup fondée en 2007.
En janvier 2018, une nouvelle technologie de batterie révolutionnaire semblait enfin se rapprocher de la réalité. Si elle répond aux attentes, cette technologie pourrait satisfaire les besoins des utilisateurs de téléphones mobiles pendant plusieurs jours et augmenter l'autonomie des véhicules électriques à plus de 500 miles (environ 804 kilomètres). Cette nouvelle technologie est appelée technologie des batteries à état solide, qui remplace l'électrolyte liquide des batteries actuelles par des matériaux céramiques.
En janvier 2018, un partenariat a été formé avec BMW, qui a promis de fournir des composants de batterie sous une forme quelconque pour chaque produit qu'elle produira dans les 10 prochaines années, qu'il s'agisse de véhicules hybrides traditionnels, de véhicules électriques rechargeables ou de véhicules purement électriques (BEV).
Le 9 janvier 2021, NIO a lancé un nouveau pack de batteries à état solide de 150 kWh. Les véhicules électriques NIO équipés de cette technologie devraient être livrés au quatrième trimestre de 2022, avec une autonomie prévue de plus de 1 000 kilomètres.
En juin 2024, la société japonaise de composants électroniques TDK a affirmé avoir réalisé une percée dans les matériaux des petites batteries à état solide, ce qui devrait améliorer considérablement les performances des petits appareils électroniques tels que les écouteurs sans fil et les montres intelligentes. La nouvelle batterie offre une densité énergétique (c'est-à-dire la quantité d'énergie qui peut être comprimée dans un espace donné) de 1 000 watt-heures par litre (Wh/l), soit environ 100 fois plus élevée que les batteries de production en masse de TDK.
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