Les batteries à l’état solide nous ont longtemps été promises comme la solution à nos besoins de stockage d’énergie. Théoriquement capables de plus grandes densités de stockage que les cellules lithium-ion et lithium-polymère existantes, tout en étant beaucoup plus sûres à démarrer, elles offriraient une énorme amélioration des performances dans toutes sortes d’applications.

Pour ceux d’entre nous qui rêvent d’une voiture électrique d’une autonomie de 1 000 milles ou d’une perceuse électrique de 14 kilowatts, le fait demeure que la technologie n’est tout simplement pas encore là. Cependant, Murata Manufacturing Co., Ltd. vient d’annoncer son intention d’expédier des batteries à l’état solide à l’automne, ce qui, d’un coup d’œil au calendrier, n’est que dans quelques semaines.

C’est une nouvelle passionnante, et nous sommes sûrs que vous mourez d’envie de savoir – qu’est-ce qu’ils prévoient d’expédier et quelle est la capacité des batteries ? Plongeons-nous.

Avantages de l’état solide par rapport au Li-Ion/Li-Po

Un graphique publié par Murata en 2019 concernant le régime de performances attendu de leur prochaine technologie de batterie à semi-conducteurs.

Si vous n’êtes pas familier avec les batteries à semi-conducteurs, l’idée de base est de construire une batterie en utilisant uniquement des matériaux solides, en éliminant les électrolytes liquides utilisés dans les batteries lithium-ion. L’espoir est que cela permettrait l’utilisation de lithium métal comme matériau d’anode, ce qui promet une densité d’énergie beaucoup plus élevée que les conceptions de batteries existantes. Le lithium métal brut n’est pas utilisé dans les anodes de batterie actuelles car il produit des dendrites nocives qui détruisent rapidement une batterie. La conception à l’état solide apporte également d’autres avantages, tels qu’une plus grande sécurité grâce à l’élimination de l’électrolyte liquide inflammable, et donc une charge plus rapide car les limites de température deviennent moins critiques pour éviter de tout faire sauter. Les avantages convaincants sont là, mais se sont jusqu’à présent avérés difficiles à atteindre.

Quant à Murata, c’est une entreprise bien connue pour produire des condensateurs céramiques multicouches (MLCC) et d’autres appareils similaires, bien qu’ils se soient diversifiés dans les technologies de batterie après avoir acheté la division des batteries de Sony en 2017. Avec ces nouvelles batteries à semi-conducteurs, l’entreprise espère de revendiquer sa position de concurrent majeur sur le marché des batteries, après avoir investi des centaines de millions de dollars dans l’entreprise.

Commencer petit, mais permanent

Cette image promotionnelle nous donne le meilleur aperçu jusqu’à présent de ce à quoi pourrait ressembler une batterie à semi-conducteurs potentielle de Murata. L’image suggère que la cellule elle-même sera combinée avec les capteurs et les circuits de protection nécessaires, le tout dans un seul boîtier soudable.

Selon le propre rapport de Murata de 2019, leurs nouvelles batteries seront destinées au marché des wearables et de l’Internet des objets. Les batteries seront de l’ordre de 2 à 25 mAh, selon les graphiques du communiqué de presse, avec des densités énergétiques de l’ordre de 500 Wh/L. Cela place les batteries dans le domaine légèrement au-dessus des performances des cellules lithium-ion actuelles. Il dépasse également de loin les conceptions à semi-conducteurs existantes, actuellement uniquement réellement utilisées dans les stimulateurs cardiaques et autres applications à très faible consommation. La société vise à terme à livrer 100 000 pièces par mois, mais augmentera lentement la production au cours des 12 prochains mois environ.

Les batteries de Murata seront donc petites, compactes et peu puissantes. Cependant, leur nature à l’état solide apporte un avantage passionnant : ils pourront être soudés directement aux PCB de la même manière que n’importe quel autre composant. Les batteries à semi-conducteurs ont de nombreux avantages admirables comme ceux-ci, en fait. En raison de l’élimination des électrolytes liquides, les batteries sont généralement ininflammables et beaucoup plus résistantes que les cellules lithium-ion traditionnelles.

YouTubeur [Great Scott] testé des prototypes de cellules à semi-conducteurs de ProLogium. Les cellules pourraient être percées avec un clou ou coupées avec des cisailles sans prendre feu ni subir de dommages terminaux.

Ceux qui espèrent que les cellules à semi-conducteurs baisseront cette année avec des nombres de livraison actuels énormes et des densités d’énergie stratosphériques pourraient être déçus. Cependant, si de grosses batteries à semi-conducteurs comme celle-ci étaient même presque prêtes, nous aurions plus à faire qu’un simple communiqué de presse à ce stade. Cependant, c’est un développement passionnant. Grâce à l’utilisation de technologies de revêtement céramique développées dans le cadre de leur activité de condensateurs, combinées aux enseignements tirés de l’activité de batteries achetées à Sony, Murata a apparemment réussi à développer une batterie à semi-conducteurs viable qui surpasse les conceptions très basiques à faible consommation disponibles jusqu’à présent, et en marge importante.

Tout le monde veut un morceau de ce secteur émergent

Comme nous l’avons signalé, BMW parie gros sur la technologie, même si des concurrents comme Fisker sont tombés à l’eau. Toyota a également l’intention de jeter son chapeau dans le ring, avec à peu près tous les autres constructeurs automobiles impliqués d’une manière ou d’une autre. La raison est simple : si les batteries à semi-conducteurs peuvent tenir leurs promesses, les voitures électriques pourraient voir leurs performances augmenter considérablement presque du jour au lendemain. Les batteries avec une densité énergétique plus élevée offriraient une autonomie beaucoup plus longue entre les recharges, tandis que le manque d’électrolyte liquide inflammable réduirait les risques de surchauffe et permettrait potentiellement des temps de charge plus rapides. Ces deux correctifs laisseraient le monde des véhicules électriques se contenter ensuite du seul problème d’infrastructure, qui est déjà en bonne voie d’être résolu dans certains endroits. C’est des trucs convaincants.

Pour que tout cela se produise, cependant, il faudra beaucoup de recherche et de développement. C’est bien avancé, bien sûr, avec Conception électronique rapports sur plusieurs projets de pointe dans le domaine des batteries à semi-conducteurs à la fin de l’année dernière. La difficulté inhérente à la plupart des projets réside dans le matériau du séparateur. Placé entre l’anode et la cathode, le séparateur doit permettre aux ions lithium de passer librement d’un côté de la batterie à l’autre, tout en résistant à la formation de dendrites de lithium qui pourraient court-circuiter la batterie. Il existe une grande variété d’approches et de chimies en jeu, chacun pouvant deviner laquelle, le cas échéant, l’emportera.

Il y a encore de la science fondamentale à faire, et avec des centaines de millions de dollars qui affluent dans les laboratoires de recherche du monde entier, il se passe beaucoup de choses. YouTubeur [Just Have a Think] a suivi ces développements et couvre le développement de Murata ainsi que l’état d’avancement de la scène automobile, si vous souhaitez approfondir un peu les développements.

Nous ne pouvons pas attendre que ces appareils soient expédiés en masse, d’autant plus que les densités et la capacité actuelle augmentent. L’avènement d’une batterie plus légère, plus puissante et surtout plus robuste devrait annoncer une nouvelle vague de projets et de technologies à peu près de la même manière que les batteries lithium-ion il y a 30 ans.

[Main image via Murata online exhibition about solid state batteries]