Il n’est pas exagéré de dire que la renaissance actuelle des véhicules électriques doit son existence au développement de la batterie au lithium-ion (Li-ion) pour une utilisation dans les appareils électroniques portables grand public. La première application commerciale de cette batterie remonte au caméscope Sony, en 1991. Tesla a été la première à utiliser des batteries au lithium-ion dans un véhicule électrique de série, soit son Roadster basé sur la Lotus Elise en 2008.
Aujourd’hui, le lithium-ion est la technologie de stockage d’énergie standard de presque tous les véhicules électriques à batterie (VÉB) en production commerciale dans le monde entier et a remplacé les batteries nickel-hydrure métallique (Ni-MH) qui l’ont précédée dans les véhicules hybrides, bien que certaines soient encore utilisées dans cette application.
Par conséquent, la batterie au lithium-ion est maintenant la cible à atteindre, car la course est lancée pour trouver une meilleure alternative pour une utilisation dans les VÉB. Pourquoi ? Bien que le lithium-ion remplisse mieux la fonction que le nickel-hydrure métallique ou tout autre concurrent actuel, il est encore loin d’être une solution idéale.
Il est lourd, il est complexe à fabriquer, il utilise une variété de minéraux relativement rares provenant, en grande partie, de pays qui présentent des antécédents démocratiques et de droits de l’homme discutables, l’extraction et le traitement de ces matériaux peuvent être dévastateurs pour l’environnement, et il est très coûteux.
Et oui, il a tendance à provoquer des événements thermiques spontanés. Voilà pourquoi General Motors a conseillé à ses premiers clients Bolt de ne pas garer leur voiture à l’intérieur, et la National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) a fait de même pour certains autres VÉB.
Pour toutes ces raisons, les constructeurs d’automobiles, les fabricants de batteries et d’innombrables laboratoires de R & D du monde entier triment dur pour essayer de trouver la prochaine grande percée en matière de batteries.
Avant d’aborder les pistes poursuivies du côté de la recherche, examinons comment une cellule de batterie au lithium-ion est construite. Une batterie au lithium-ion traditionnelle comprend une cathode positive (habituellement un oxyde de lithium/nickel/cobalt/manganèse (NCM) et une anode négative (habituellement du graphite) séparées par un électrolyte liquide (habituellement une solution de sel de lithium) à travers laquelle les ions de lithium sont transférés.
Au moment d’écrire ces lignes, Ford, Tesla et d’autres constructeurs d’automobiles ont confirmé leur récente adoption de batteries au lithium-ion avec cathodes lithium/fer/phosphate pour une utilisation dans certains modèles, afin de réduire le besoin de cobalt et le coût, et ce, malgré un certain sacrifice en densité d’énergie.
Mais il y a des changements plus importants à l’horizon, y compris la batterie à semi-conducteurs tant annoncée, un terme que vous avez probablement déjà entendu.
Dans une batterie à semi-conducteurs (SSB), l’électrolyte n’est pas un liquide mais un solide, habituellement une forme de céramique. C’est beaucoup plus important qu’il n’y paraît, car c’est le liquide dans les cellules au lithium-ion traditionnelles qui les rend si « sensibles » en matière thermique.
Les électrolytes solides ont tendance à être plus résistants aux changements de température ainsi qu’aux dommages physiques pendant l’utilisation, ce qui signifie qu’ils peuvent potentiellement s’amincir et s’alléger, offrant une plus grande densité d’énergie par rapport au volume et à la masse.
Selon Samsung SDI, qui est l’une des nombreuses entreprises travaillant sur les SSB, « Il n’y a pas de risque d’explosion ou d’incendie, il n’est donc pas nécessaire d’avoir (autant) de composants pour la sécurité, ce qui permet d’économiser plus d’espace. Ensuite, nous avons plus d’espace pour mettre plus de matériaux actifs qui augmentent la capacité de la batterie. »
L’amélioration de la stabilité thermique crée également le potentiel d’une charge plus rapide et d’une plus grande capacité énergétique par rapport aux batteries au lithium-ion à électrolyte liquide.
Toyota investit massivement dans le développement de batteries à semi-conducteurs. Selon une étude Nikkei, le constructeur d’automobiles japonais détient près de trois fois plus de brevets sur la technologie que toute autre entreprise.
Dans une entrevue accordée à Autoline en janvier 2022, Gill Pratt, directeur de l’Institut de recherche Toyota, a déclaré que le constructeur visait à « commercialiser » ses batteries à semi-conducteurs au cours de la première moitié de cette décennie et d’abord dans des hybrides plutôt que dans des VÉB.
Plus tôt cette année, la société chinoise Donfeng Motor aurait lancé un programme de démonstration de 50 véhicules électriques dotés de la technologie à semi-conducteurs de concert avec Ganfeng Lithium.
En Amérique du Nord, Solid Power, basée au Colorado, en est au stade de développement du prototype commercial, avec des investissements de BMW et de Ford. Volkswagen a investi dans quantumScape, en Californie, qui a été l’un des chefs de file dans le domaine, mais qui semble maintenant avoir pris du retard.
Beaucoup d’autres sont également engagés dans le développement de batteries à semi-conducteurs, et il est fort probable qu’ils seront commercialement réalisables au cours des cinq prochaines années, ce qui offrira des avantages significatifs en termes de sécurité, de densité d’énergie et de capacité de recharge.
D’ici là, cependant, les constructeurs d’automobiles et les fabricants de batteries auront investi plusieurs milliards dans des usines pour construire des batteries au lithium-ion traditionnelles. Seront-ils prêts à les rendre désuètes aussi rapidement ?
