Les batteries semi-solides, une technologie de batterie innovante, offrent des avantages par rapport piles au lithium. Cet article les définit, les compare aux batteries au lithium, discute de leurs avantages et de leurs défis.
Qu'est-ce qu'une batterie semi-solide ?
Les batteries semi-solides sont des batteries rechargeables qui utilisent un matériau semi-solide. électrolyte. Cet électrolyte est généralement constitué d'un matériau conducteur solide en suspension dans un liquide, offrant plusieurs avantages par rapport aux conceptions conventionnelles.
Batterie semi-solide vs batteries au lithium liquide
Les principales différences entre ces technologies résident dans leur composition électrolytique, leur sécurité et leurs performances :
Structure de l'électrolyte
- Batteries au lithium liquide : utilisez des électrolytes liquides organiques inflammables, ce qui présente des risques de fuite et emballement thermique.
- Batteries semi-solides : utilisez un électrolyte gel/pâte visqueux, réduisant l'inflammabilité et permettant des séparateurs plus fins.
Sécurité
- Les électrolytes liquides peuvent s'enflammer sous l'effet d'un stress (par exemple, dommages physiques ou surcharge), provoquant des incendies.
- Les électrolytes semi-solides résistent à la croissance des dendrites, tolèrent des températures supérieures à 200°C et minimisent le risque de combustion lors des tests de pénétration des clous.
Performance
- Densité énergétique : les batteries au lithium liquide atteignent un maximum de 300 Wh/kg ; les variantes semi-solides atteignent 350 à 400 Wh/kg.
- Durée de vie : les batteries au lithium liquide durent environ 1 200 cycles ; les semi-solides supportent 2 000 à 3 000 cycles avec une rétention de capacité de plus de 85 %.
- Plage de température : les électrolytes liquides gèlent en dessous de 0 °C ou s’épaississent par temps froid. Les batteries semi-solides fonctionnent de -40°C à 60°C sans perte d'efficacité significative.
Fabrication
Les batteries au lithium liquide bénéficient de lignes de production établies, tandis que les batteries semi-solides nécessitent des processus modifiés.
Avantages des batteries semi-solides
Les batteries semi-solides présentent plusieurs avantages par rapport aux batteries au lithium liquide traditionnelles.
Sécurité améliorée
La réduction de la teneur en liquide et l'utilisation de structures solides minimisent la formation de dendrites et l'emballement thermique. Les électrolytes améliorés en céramique, tels que les composites sulfurés ou polymères, empêchent les courts-circuits. Les cellules semi-solides réussissent les tests de pénétration des clous avec un risque de combustion minimal, corrigeant ainsi un défaut clé des batteries au lithium liquide.
Densité énergétique plus élevée
Les batteries semi-solides atteignent 30 à 40 % de plus densité énergétique que les batteries au lithium liquide en utilisant des anodes de grande capacité comme le lithium ou le silicium, associées à des cathodes NMC/NCA haute tension riches en nickel.
Durée de vie prolongée & Résilience
La dégradation réduite des électrodes et les interfaces stables permettent plus de 2 000 cycles avec une perte de capacité minimale. Ils fonctionnent également bien par temps extrêmement froid (-40 °C), empêchant ainsi le gel de l'électrolyte.
Évolutivité
Les variantes semi-solides utilisent les équipements de fabrication lithium-ion existants, réduisant ainsi les coûts de transition par rapport aux batteries entièrement solides. Des entreprises comme BMW et Ford accélèrent leur production en s'associant à Solid Power.
Pourquoi les batteries semi-solides ont-elles une densité énergétique élevée ?
Trois innovations améliorent la stockage d'énergie de batteries semi-solides :
Innovations matérielles
- Anodes : Le lithium métal (3 860 mAh/g) ou les composites de silicium remplacent le graphite (372 mAh/g).
- Cathodes : les NMC à haute teneur en nickel ou les oxydes riches en lithium augmentent la tension et la capacité.
Optimisation des électrolytes
- Les conceptions à deux phases (par exemple, les gels polymères avec des charges céramiques) réduisent les composants inertes, maximisant ainsi l'espace pour les matériaux actifs.
- La solidification in situ améliore le contact électrode-électrolyte et réduit la résistance interne.
Efficacité structurelle
Les électrodes comportent des matrices poreuses pour contenir plus de matériau actif, tandis que des trajets ioniques plus courts dans des conceptions compactes augmentent la densité de puissance.
Défis des batteries semi-solides
Bien que les batteries semi-solides soient prometteuses, elles sont confrontées à certains défis à relever.
Complexités liées aux matériaux et à la chaîne d'approvisionnement
- Les électrolytes solides de haute pureté, comme les sulfures et les oxydes, nécessitent des niveaux de pureté supérieurs à 99,99 % et une manipulation spécialisée en raison de la sensibilité à l'humidité, se dégradant au-dessus de 20 ppm. Cela nécessite un stockage sous couverture d’argon, ce qui augmente les coûts et la complexité logistique.
- Ces matériaux nécessitent 40 % plus de liants PTFE que le PVDF conventionnel, ce qui met à rude épreuve les chaînes d'approvisionnement en produits chimiques.
Goulots d'étranglement dans la fabrication
- Le calandrage par électrodes doit gérer des densités 15 à 20 % plus élevées, avec des temps de séchage réduits de 12 à 24 heures à 2 à 3 heures, ce qui nécessite des lignes de production modernisées.
- La résistance interfaciale du contact électrode solide-solide-électrolyte peut augmenter la résistance interne jusqu'à 300 %, réduisant ainsi l'efficacité et la capacité de charge rapide.
- Les techniques de solidification in situ ont du mal à obtenir des interfaces électrode-électrolyte uniformes, ce qui affecte la durée de vie et la stabilité des performances.
Limites des performances
- Les électrolytes hybrides présentent une conductivité ionique 10 à 30 % inférieure à celle des électrolytes liquides à des températures inférieures à zéro, ce qui limite la puissance de sortie dans les climats froids.
- Les risques liés aux dendrites de lithium persistent même après plus de 500 cycles, en particulier avec les anodes lithium-métal, malgré les allégations de suppression.
- Les cellules actuelles atteignent 350 à 400 Wh/kg, soit moins que les 500+ Wh/kg des prototypes, en raison des pertes interfaciales et des contraintes de volume d'électrolyte.
Coûts et barrières à l’adoption sur le marché
- Les batteries semi-solides sont 40 à 50 % plus chères que les batteries lithium-ion liquides, principalement en raison du coût des électrolytes solides et des faibles volumes de production.
- Le recyclage pyrométallurgique ne récupère que 60 à 65 % des matériaux, contre 85 à 90 % pour les batteries liquides, car le traitement à haute température endommage les électrolytes solides.
- La production mondiale est inférieure à 2 GWh (2024), avec une part de marché projetée de seulement 1 % d’ici 2027, ce qui retarde les économies d’échelle.
Conclusion
Les batteries semi-solides combinent la sécurité et la densité énergétique de la technologie à semi-conducteurs avec la fabricabilité des systèmes liquides. Ils alimentent actuellement les véhicules électriques (NIO, BMW) et le stockage sur réseau, avec des coûts qui devraient chuter à 70 $/kWh d'ici 2030 à mesure que la production augmente.
Des défis tels que la résistance interfaciale et la pureté des matières premières demeurent, mais le R en cours&D les positionne comme une technologie de transition dominante jusqu'à ce que les batteries à semi-conducteurs soient prêtes.
Pour les industries nécessitant des autonomies plus longues, une charge plus rapide et des normes de sécurité élevées, les batteries semi-solides constituent l’avenir à court terme.
