L’état des lieux des batteries à semi-conducteurs

Les véhicules électriques arrachent lentement mais sûrement des parts de marché à leurs prédécesseurs à moteur à combustion. Cependant, l’autonomie et la vitesse de charge restent des points d’achoppement majeurs pour les clients et constituent un argument de vente majeur pour tout véhicule électrique moderne. La technologie des batteries est à l’avant-plan lorsqu’il s’agit d’améliorer ces chiffres.

Les batteries à semi-conducteurs pourraient marquer un changement radical dans les performances dans ces domaines, et la course pour les mettre sur le marché commence à s’intensifier. Jetons un coup d’œil à l’état actuel des lieux.

Pourquoi passer à l’état solide ?

L’espoir est que les batteries à semi-conducteurs pourraient contenir des densités d’énergie plus élevées en rendant pratique l’utilisation d’une conception d’anode au lithium métal. Crédit : BMW, site de presse

Actuellement, les batteries lithium-ion ou lithium-polymère sont utilisées dans la grande majorité des véhicules électriques. Ils ont une densité de puissance plus élevée et un poids inférieur à celui des autres technologies de batterie pratiques et commercialisées, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les véhicules. Cependant, ils ont aussi quelques inconvénients. Ils sont toujours plus lourds que nous ne le souhaiterions pour leur capacité donnée, ils mettent trop de temps à se recharger et ils ont la mauvaise habitude de prendre feu de manière plutôt féroce.

Les batteries à semi-conducteurs pourraient changer tout cela. Ils sont appelés « à l’état solide » parce que l’électrolyte liquide est remplacé par un matériau à l’état solide. Les électrolytes solides seraient beaucoup moins inflammables que les matériaux liquides utilisés actuellement, et donc beaucoup moins sensibles à la chaleur également. Cela pourrait permettre une plus grande consommation de courant ainsi qu’une charge plus rapide, car la batterie n’aurait pas à être maintenue dans une plage de température aussi étroite pour des raisons de sécurité.

De plus, l’électrolyte solide peut permettre l’utilisation de différents matériaux d’anode qui fourniraient une plus grande densité d’énergie. En particulier, les scientifiques souhaitent depuis longtemps utiliser le lithium métallique directement comme matériau d’anode dans les batteries. Cependant, dans les batteries à électrolyte liquide actuelles, l’anode au lithium métallique forme des dendrites qui court-circuitent la batterie, la détruisant dans le processus. On pense qu’un électrolyte solide empêcherait cette croissance et pourrait fournir jusqu’à deux fois et demie la densité d’énergie des batteries au lithium existantes.

Défis

La technologie des batteries à semi-conducteurs n’a pas encore mûri au point d’être utilisée par le grand public. Certaines batteries à semi-conducteurs sont arrivées sur le marché, mais elles sont de plusieurs ordres de grandeur trop petites pour être utilisées dans les véhicules électriques.

Des défis subsistent autour de la conductivité, en particulier à des températures plus basses, ainsi que des problèmes de résistance élevée entre les matériaux solides qui composent la cathode, l’anode et l’électrolyte solide. De nombreuses conceptions de batteries à semi-conducteurs nécessitent que l’électrolyte solide soit soumis à une forte pression pour maintenir une bonne conductivité, ce qui introduit des problèmes mécaniques liés au stress et à la fragilité.

De plus, il n’y a tout simplement pas d’infrastructure pour produire en masse des batteries à semi-conducteurs. Les constructeurs automobiles se sont précipités pour construire de nouvelles usines de batteries pour soutenir la fabrication de véhicules électriques. Cependant, la grande majorité doit combler un déficit perçu dans la production de conceptions de batteries actuelles. Il est probable que les usines devraient être considérablement réorganisées pour produire des batteries à semi-conducteurs, qui ont des conceptions internes très différentes.

Concurrents

Le fabricant de scooters électriques Gogoro a dévoilé un prototype de batterie à semi-conducteurs plus tôt cette année. Le « module de batterie lithium-céramique » est venu avec une augmentation de capacité de 40% par rapport aux cellules existantes de l’entreprise. Crédit : Gogoro, site de presse

Quoi qu’il en soit, le point de basculement auquel les batteries à semi-conducteurs deviennent commercialement viables est presque arrivé. Plusieurs entreprises investissent beaucoup d’argent dans cet espace. Chacun espère être le premier à obtenir un avantage concurrentiel sur ses rivaux en disposant de la meilleure technologie de batterie disponible.

A petite échelle, on avait déjà vu l’an dernier que le fabricant de composants Murata avait développé l’année dernière des batteries à semi-conducteurs de 25 mAh. Ceux-ci sont géniaux à monter sur un PCB, mais ne vous aideront pas vraiment à conduire n’importe où. L’effort d’Hitachi Zosen s’intensifie un peu, mais toujours à plus petite échelle. La société a produit une batterie à semi-conducteurs haute performance d’une capacité de 1000 mAh, mais la technologie n’est pas encore commercialisée.

La société de scooters électriques Gogoro a conquis le marché taïwanais des cyclomoteurs électriques. Leurs véhicules sont équipés d’un système de batterie interchangeable pratique, avec des stations d’échange de batterie disséminées dans tout le pays pour garder les conducteurs en mouvement. Maintenant, la société a dévoilé un nouveau prototype de batterie à semi-conducteurs, compatible avec leur facteur de forme de batterie existant. Cela signifie que la nouvelle batterie peut tomber dans tous leurs véhicules existants sur la route. La nouvelle batterie augmente la capacité à 2,5 kWh, contre 1,7 kWh auparavant. Il s’agit d’une augmentation complète de 40 % de la densité d’énergie, augmentant l’autonomie de tout véhicule pouvant fonctionner avec une batterie Gogoro. Cependant, le pack reste un article de démonstration à ce stade, et la société n’a pas encore annoncé de plans précis pour déployer les batteries sur son réseau.

Nissan a récemment dévoilé une installation de production de prototypes pour les batteries à semi-conducteurs. Crédit : Nissan, site de presse

Pendant ce temps, les titans de l’industrie automobile se disputent également la tête dans ce domaine. L’année dernière, BMW a clairement indiqué qu’il présenterait un démonstrateur technologique à semi-conducteurs d’ici 2025, alors qu’il espère entrer en production plus près de 2030.

Nissan est allé plus loin en dévoilant une usine prototype de batteries à semi-conducteurs en partenariat avec la NASA. Le constructeur automobile japonais affirme que ses voitures à semi-conducteurs pourraient être chargées jusqu’à trois fois plus rapidement que les modèles actuels, tout en offrant deux fois plus d’autonomie. La société espère avoir une ligne de production pilote en cours d’exécution d’ici 2024, en vue de vendre des véhicules électriques à semi-conducteurs au public en 2028. La société a également noté que la technologie à semi-conducteurs produirait un pack « environ la moitié de la taille de la batterie actuelle » et qu’il pouvait « se recharger complètement en 15 minutes au lieu de quelques heures ».

BMW a réussi à produire des prototypes de batteries à semi-conducteurs d’une capacité allant jusqu’à 20 Ah en partenariat avec Solid Power. Le plan est de tester des batteries de 100 Ah en 2022. Crédit BMW, site presse

Toyota a également beaucoup investi et travaille dur avec Panasonic pour être en tête du peloton. La société a affirmé plus tôt cette année qu’elle commercialiserait un véhicule hybride avec des batteries à semi-conducteurs dès 2025. Compte tenu du coût élevé de développement et de production des nouvelles batteries, cette décision contre-intuitive a du sens. Les voitures hybrides utilisent des batteries plus petites que les véhicules électriques, et donc la technologie à semi-conducteurs ne gonflera pas autant le prix d’un hybride, le maintenant adapté au marché.

En ce qui concerne le marché automobile, cependant, les batteries à semi-conducteurs sont une technologie fondamentalement trop importante pour être ignorée. Tout le monde, de Volkswagen à Rivian, jette un coup d’œil, bien que la plupart des autres joueurs ne montrent pas encore leurs mains.

Dans l’ensemble, la technologie des batteries à semi-conducteurs promet de changer la donne. Tout ce qu’il faut, c’est que les scientifiques et les ingénieurs résolvent quelques problèmes de fiabilité, de fabricabilité et de coût. Si ces obstacles peuvent être surmontés, les nouvelles batteries devraient faire sauter les piles au lithium hors de l’eau et prendre rapidement d’assaut le marché.

Image de bannière : Batterie de production de 20 Ah de Solid Power par rapport à la première version de 2 Ah.