De nos jours, les batteries lithium-ion répondent à de nombreux besoins en matière de mobilité, mais elles ne sont pas parfaites. Leur densité énergétique pourrait être améliorée et le risque d’incendie éliminé grâce aux batteries solides. Découvrons cette technologie potentiellement révolutionnaire.
Depuis quelques années, on entend beaucoup parler des batteries solides et de leur potentiel révolutionnaire dans le domaine des véhicules électriques. En 2022, où en sommes-nous dans le développement de ces cellules révolutionnaires ? Existe-t-il déjà des voitures équipées de cette technologie ?
Dans cet article, nous ferons le point sur les batteries solides, leurs différences par rapport aux batteries actuelles et les perspectives d’avenir. Et si l’avenir des voitures électriques était lié aux batteries solides ?
Les batteries solides, quelles différences avec les batteries actuelles ?
La plupart des voitures électriques actuelles utilisent des batteries au lithium-ion. Le principe de fonctionnement est simple : une batterie lithium-ion est composée de deux électrodes, une anode (borne positive) et une cathode (borne négative), chacune immergée dans une solution électrolytique. Un séparateur est placé entre l’anode et la cathode pour éviter tout contact entre les deux.
Les batteries solides fonctionnent différemment. L’électrolyte n’est plus liquide mais solide. L’électrolyte solide joue également le rôle de séparateur, éliminant ainsi le besoin de composants supplémentaires pour isoler l’anode de la cathode.
Dans une voiture électrique, le pack de batteries est composé de centaines, voire de milliers de cellules, chacune étant composée d’une anode, d’une cathode, d’une solution électrolytique et d’un séparateur. Pour alimenter le moteur et propulser le véhicule, les ions se déplacent de l’anode à la cathode à travers la solution électrolytique, produisant ainsi de l’électricité.
Avec les batteries solides, le principe reste similaire, à la différence que les ions se déplacent à travers un composé inorganique solide plutôt qu’un électrolyte liquide. Cette technologie offre déjà des avantages par rapport aux batteries lithium-ion classiques, comme nous allons le découvrir.
Les avantages des batteries solides
Les batteries lithium-ion actuelles présentent plusieurs inconvénients importants. L’un des principaux concerne la sécurité, notamment les risques d’incendie. En raison de la chauffe de la solution électrolytique pendant la charge et la décharge des cellules d’une batterie lithium-ion, des incendies peuvent se produire. C’est pourquoi de nombreux mécanismes de sécurité sont intégrés aux packs de batteries, mais cela occupe de l’espace précieux.
Avec les batteries solides, il n’est plus nécessaire de réserver autant d’espace pour les mécanismes de sécurité. La stabilité d’un électrolyte solide est bien supérieure à celle d’une solution électrolytique, ce qui ouvre des perspectives prometteuses dans le domaine des véhicules électriques.
L’autre défi majeur des voitures électriques est d’atteindre des autonomies comparables à celles des véhicules thermiques équivalents. Cependant, avec les batteries lithium-ion actuelles, cela semble compromis. Les batteries solides devraient permettre aux voitures électriques d’améliorer leur autonomie, car elles offrent une densité énergétique beaucoup plus élevée.
Sans risque d’explosion ou de combustion, les cellules des batteries solides peuvent être assemblées de manière beaucoup plus compacte que celles des batteries lithium-ion. Dans le même volume et avec le même poids, il serait possible d’augmenter considérablement le nombre de cellules et donc la capacité du pack de batteries.
En mars 2020, l’Institut de Technologie de Samsung a présenté une batterie solide capable de parcourir 800 km et de se recharger et se décharger 1 000 fois. Cette batterie occupe la moitié du volume d’une batterie lithium-ion équivalente. Ces résultats sont prometteurs et laissent entrevoir des voitures électriques urbaines avec une autonomie dépassant celle des berlines les plus endurantes.
Les constructeurs qui travaillent sur les batteries solides
Outre les recherches en laboratoire en cours, de nombreux constructeurs se sont positionnés sur les batteries solides et les intègrent dans le développement de leurs futurs modèles. Nissan, par exemple, a récemment annoncé l’ouverture d’une usine de prototypes de batteries solides avec pour objectif de commercialiser un véhicule équipé de ces cellules d’ici la fin de la décennie.
D’autres constructeurs tels que Volkswagen, Ford, BMW et Stellantis ont également investi dans la recherche sur les batteries solides. Pour l’instant, ils soutiennent financièrement de nombreuses start-ups du secteur, comme QuantumScape, qui promet des batteries solides répondant aux attentes des géants de l’industrie. Ford et BMW prévoient également de tester les batteries solides dès cette année.
Tous les acteurs du marché considèrent les batteries solides comme la réponse à la plupart des problématiques actuelles des voitures électriques. Une densité énergétique améliorée offrira des capacités de batterie beaucoup plus importantes, et la sécurité sera considérablement renforcée. De plus, les capacités de charge rapide répondront aux besoins futurs, avec une charge de 10 à 80 % en moins de 15 minutes, tout en assurant une meilleure durée de vie des cellules par rapport aux normes actuelles.
Les batteries semi-solides comme alternative
Bien que les batteries solides ne soient pas encore prêtes pour une production de masse, certains constructeurs, comme Volkswagen et Nio, ont développé une alternative intéressante : les batteries semi-solides. Ces batteries sont similaires aux lithium-ion par leur conception (l’électrolyte reste liquide), mais elles n’utilisent pas de liant, ce qui permet d’obtenir une densité énergétique bien supérieure.
Le constructeur chinois Nio semble être en avance sur les autres, avec un projet de batterie semi-solide capable d’alimenter son modèle ET7 sur une distance de plus de 1 000 km avec une seule charge. Selon les dernières informations, la production de la Nio ET7 est prévue pour la fin de l’année 2022, ce qui en ferait le premier véhicule de série équipé de batteries semi-solides.
D’autres acteurs, tels que Gotion High Tech, prévoient également d’installer un pack de batteries de 160 kWh dans un véhicule d’ici 2023, ce qui permettrait d’atteindre une autonomie de 1 000 kilomètres, se rapprochant ainsi du Graal de la voiture électrique en termes d’autonomie.
Les défis à relever pour les véhicules électriques
Mis à part la Nio ET7, qui devrait être lancée prochainement, l’intégration des batteries solides dans la production de masse de véhicules électriques est encore lointaine. Bien que de nombreux constructeurs s’intéressent de près à cette technologie, ils estiment tous qu’elle n’est pas encore prête à être utilisée aujourd’hui.
Les recherches montrent qu’il y a un grand potentiel pour les batteries solides, la prochaine révolution dans le domaine des véhicules électriques. Cependant, leur développement économiquement viable reste à faire.
À mi-2022, il est encore beaucoup plus cher de produire une batterie solide ayant la même capacité qu’une batterie lithium-ion. Les processus d’industrialisation pour solidifier l’électrolyte ou fabriquer les cellules de batteries solides sont encore en cours de développement.
Malgré tout, les progrès permis par les batteries solides sont prometteurs et permettront de corriger certains points faibles des voitures électriques actuelles. Cependant, il faudra attendre la fin de la décennie en cours avant qu’une véritable révolution puisse se produire, car l’exploitation des batteries lithium-ion reste moins coûteuse et déjà rentable.
Les perspectives pour l’avenir
Pour se rapprocher de la perfection dans le domaine des voitures électriques, les batteries solides semblent être une étape nécessaire. De nombreux pick-ups électriques, par exemple, bénéficieront grandement des avantages offerts par les batteries solides en raison de leurs besoins en grande capacité de batterie.
Entre une autonomie conséquente et des vitesses de recharge dépassant celles que nous connaissons aujourd’hui (plus de 300 kW de puissance maximale pour les batteries solides), le remplacement des batteries lithium-ion pourrait convaincre les derniers sceptiques à passer à l’électrique. Cependant, il est important de noter qu’un conducteur lambda n’a pas nécessairement besoin d’une autonomie de 1 000 km, comme le souligne Elon Musk.
De plus, d’ici 2030, les études réalisées par Nissan affirment que le coût du kilowattheure produit par les batteries solides sera si bas qu’il permettra aux voitures électriques d’être au même prix que leurs équivalents thermiques, ce qui n’est pas le cas aujourd’hui.
Un saut technologique tant attendu pourrait également arriver avec l’anode lithium-métal dans les batteries solides d’ici la fin de la décennie en cours. Selon les derniers rapports, cette anode pourrait augmenter la densité énergétique de 40 % par rapport à une anode silicium-graphite utilisée actuellement dans les prototypes de batteries solides. Cependant, il faut rester prudent, car les projections concernant l’anode lithium-métal ne prévoient pas une disponibilité à grande échelle.
En conclusion, les batteries solides offrent de nombreux avantages pour les voitures électriques, mais leur intégration dans la production de masse prendra du temps. Malgré cela, elles représentent une voie prometteuse vers l’amélioration de l’autonomie et de la sécurité des véhicules électriques.
