Les batteries lithium-ion viennent de faire un grand saut dans un tout petit produit

Une entreprise de matériaux d’Alameda, en Californie, a passé la dernière décennie à travailler pour augmenter l’énergie stockée dans les batteries lithium-ion, une avancée qui pourrait permettre aux petits gadgets et aux véhicules électriques d’avoir une autonomie bien plus grande.

Sila a développé des particules à base de silicium qui peuvent remplacer le graphite dans les anodes et contenir davantage d’ions lithium qui transportent le courant dans une batterie.

Aujourd’hui, la société lance son produit sur le marché pour la première fois, en fournissant une partie de la poudre d’anode dans la batterie du futur Whoop 4.0, un appareil portable de fitness. C’est un petit appareil mais potentiellement un grand pas en avant pour le domaine des batteries, où les résultats de laboratoire prometteurs ne se traduisent souvent pas par un succès commercial.

« Considérez le Whoop 4.0 comme notre Tesla Roadster », déclare Gene Berdichevsky, PDG de Sila, qui, en tant que septième employé de Tesla, a aidé à résoudre certains des problèmes critiques de batterie pour le premier véhicule électrique de l’entreprise. « C’est vraiment le premier appareil sur le marché qui prouve cette percée. »

Cellules de batterie produites avec les particules à base de silicium de Sila.

SILA

Les matériaux de la société, avec une aide légère d’autres avancées, ont augmenté la densité énergétique de la batterie du tracker de fitness d’environ 17%. C’est un gain significatif dans un domaine qui progresse généralement de quelques points de pourcentage par an.

Cela équivaut à environ quatre ans de progrès standard, « mais en un grand saut », explique Venkat Viswanathan, professeur agrégé de génie mécanique à l’Université Carnegie Mellon.

Sila est toujours confronté à de réels défis techniques, mais cette avancée est un signe prometteur du potentiel de batteries de plus en plus performantes pour aider le monde à s’éloigner des combustibles fossiles alors que les dangers du changement climatique s’accélèrent. Augmenter la quantité d’énergie que les batteries peuvent stocker permet aux sources d’électricité de plus en plus propres d’alimenter plus facilement nos bâtiments, véhicules, usines et entreprises.

Pour le secteur des transports, une batterie plus énergivore peut réduire les coûts ou étendre l’autonomie des véhicules électriques, s’attaquant à deux des plus gros problèmes qui ont découragé les consommateurs d’abandonner leurs énergivores. Il promet également de fournir des batteries de réseau qui peuvent économiser plus d’énergie à partir des parcs solaires et éoliens, ou des gadgets grand public qui durent plus longtemps entre les charges.

La densité énergétique est la clé de «l’électrification de tout», explique Berdichevsky, un innovateur de moins de 35 ans en 2017.

Dans le cas du nouveau portable de fitness, les nouveaux matériaux de la batterie et d’autres améliorations ont permis à Whoop, basé à Boston, de réduire l’appareil de 33 % tout en maintenant cinq jours d’autonomie. Le produit est désormais suffisamment fin pour être inséré dans des « vêtements intelligents » ainsi que pour être porté comme une montre. Il sera mis en vente le 8 septembre.

Sila, qui a annoncé un financement de 590 millions de dollars en janvier, a également mis en place des partenariats pour développer des matériaux de batterie pour les constructeurs automobiles, notamment BMW et Daimler. La société a déclaré que sa technologie pourrait éventuellement contenir jusqu’à 40 % d’énergie en plus dans les batteries lithium-ion.

Prévention des incendies

Berdichevsky a passé un entretien et a décroché son emploi chez Tesla avant sa dernière année à l’Université de Stanford, où il préparait un diplôme en génie mécanique. Il a fini par jouer un rôle clé dans la gestion d’un risque potentiellement existentiel pour l’entreprise : qu’un incendie dans l’une des milliers de batteries emballées dans un véhicule enflamme tout le pack.

Il a mis en place un programme pour évaluer systématiquement une série de conceptions de packs de batteries. Après des centaines de tests, la société a développé une combinaison d’agencements de batteries, de matériaux de transfert de chaleur et de canaux de refroidissement qui ont largement empêché les incendies incontrôlables.

Après que Tesla a lancé le Roadster, Berdichevsky a estimé qu’il devait soit s’engager dans cinq ans supplémentaires pour voir l’entreprise développer le prochain véhicule, le modèle S, soit saisir l’opportunité d’essayer quelque chose de nouveau.

En fin de compte, il a décidé qu’il voulait construire quelque chose de lui-même.

Gene Berdichevsky, PDG et cofondateur de Sila.

DAVID PAUL MORRIS/SILA

Berdichevsky est retourné à Stanford pour un programme de maîtrise étudiant les matériaux, la thermodynamique et la physique, dans l’espoir de trouver des moyens d’améliorer le stockage au niveau fondamental. Après avoir obtenu son diplôme, il a passé un an en tant qu’entrepreneur en résidence chez Sutter Hill Ventures, à la recherche d’idées qui pourraient constituer la base de sa propre entreprise.

Pendant ce temps, il est tombé sur un article scientifique identifiant une méthode pour produire des particules à base de silicium pour les anodes de batteries lithium-ion.

Les chercheurs considèrent depuis longtemps le silicium comme un moyen prometteur d’augmenter l’énergie dans les batteries, car ses atomes peuvent se lier à 10 fois plus d’ions lithium en poids que le graphite. Cela signifie qu’ils contiennent beaucoup plus de molécules chargées qui produisent le courant électrique dans une batterie. Mais les anodes en silicium avaient tendance à s’effriter pendant la charge, car elles gonflaient pour accueillir les ions qui faisaient la navette entre les électrodes.

L’article, co-écrit par le professeur Gleb Yushin du Georgia Institute of Technology, a souligné la possibilité de développer des matériaux de silicium rigides avec un noyau poreux qui pourrait plus facilement accepter et libérer les ions lithium.

L’année suivante, Berdichevsky a cofondé Sila avec Yushin et Alex Jacobs, un autre ancien ingénieur de Tesla.

Obstacles et retards

La société a passé la décennie suivante à peaufiner ses méthodes et ses matériaux, en travaillant sur plus de 50 000 itérations de la chimie tout en augmentant sa capacité de fabrication. Très tôt, elle a décidé de développer des matériaux de remplacement que les fabricants de batteries lithium-ion pourraient remplacer, plutôt que de poursuivre la voie la plus coûteuse et la plus risquée de la production de batteries complètes elle-même.

Cependant, Sila n’est pas aussi avancé qu’il l’avait initialement espéré.

Après avoir obtenu plusieurs millions de dollars de la division ARPA-E du département américain de l’Énergie, la société a déclaré à un moment donné à l’agence de recherche que ses matériaux pourraient être dans des produits d’ici 2017 et dans des véhicules d’ici 2020. En 2018, lorsque Sila a annoncé son accord avec BMW, il a déclaré que ses particules pourraient aider à alimenter les véhicules électriques du constructeur allemand d’ici 2023.

Berdichevsky dit que l’entreprise s’attend désormais à être dans les véhicules d’ici « plus comme 2025 ». Il dit que résoudre les problèmes du « dernier kilomètre » était tout simplement plus difficile que prévu. Les défis comprenaient la collaboration avec les fabricants de batteries pour obtenir les meilleures performances des nouveaux matériaux.

« Nous étions naïvement optimistes quant aux défis de la mise à l’échelle et de la mise sur le marché des produits », a-t-il déclaré dans un e-mail.

L’actualité Whoop signale que Sila a pu concevoir les particules d’une manière qui offre la sécurité, les cycles de vie et d’autres repères de performance de batterie similaires à ceux obtenus dans les produits existants.