Batterie à semi-conducteurs : l'avenir des véhicules électriques

Actuellement, l'inquiétude concernant l'autonomie reste le principal obstacle au remplacement total des voitures à essence par des véhicules à énergies nouvelles à l'échelle mondiale. Bien que de nombreux constructeurs automobiles, comme Tesla avec son Supercharger V4 et Xpeng avec son Supercharger S4, aient introduit des technologies de recharge rapide, ces bornes sont non seulement coûteuses, mais leur couverture est également insuffisante. Pour répondre véritablement aux préoccupations en matière d'autonomie, seules les batteries à haute densité énergétique peuvent offrir une solution.

À la lumière des développements récents, ces dernières années, la Chine, le Japon, la Corée du Sud et l’Europe se sont tous concentrés sur le développement des réacteurs à semi-conducteurs. batteries à densité énergétique plus élevéeEn fonction du choix de l'électrolyte, ces régions ont adopté trois voies technologiques distinctes :

• Europe : L'accent est mis principalement sur les polymères (dont la conductivité est d'environ 10-7-10-5S/cm) comme électrolyte pour les batteries solides. Cependant, en raison de la faible conductivité des polymères, les batteries solides produites en série en Europe offrent une autonomie inférieure à celle des batteries au lithium liquide de même capacité.
• Japon et Corée du Sud : Leur principal atout réside dans l'utilisation de sulfures (dont la conductivité est d'environ 10-3-10-2S/cm) comme électrolyte. Bien que ce matériau présente une conductivité idéale, son procédé de fabrication complexe et l'inclusion de métaux rares ont freiné sa commercialisation.
• Chine : L'utilisation d'oxydes (d'une conductivité d'environ 10-6-10-3S/cm) comme électrolyte est prédominante. Compte tenu de la rigidité et de la forte porosité du matériau, qui peuvent entraver la fluidité du flux ionique, la technologie actuelle nécessite l'inclusion d'un électrolyte, produisant ainsi une batterie semi-solide. Cependant, cela réduit la densité énergétique de la batterie. Par conséquent, même si ces batteries semi-solides à base d'oxydes ont été intégrées à des modèles haut de gamme par des entreprises comme NIO et Dongfeng, leur rentabilité n'a pas été suffisamment convaincante pour justifier une production à grande échelle.

Sortant de ces voies technologiques traditionnelles, des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine ont récemment développé l'oxychlorure de lithium-zirconium. En termes de conductivité ionique, de déformabilité et de coût, ce matériau surpasse les oxydes et les sulfures. L'avènement de l'oxychlorure de lithium-zirconium pourrait offrir à l'industrie une solution innovante et prête à l'emploi.

Pionniers européens : l'aventure du Groupe Bolloré dans la technologie des batteries à semi-conducteurs

Les entreprises européennes du secteur des énergies propres utilisent principalement des polymères comme électrolyte pour faire progresser la recherche sur les batteries solides. Le groupe français Bolloré est un acteur majeur dans ce domaine. En 2011, premier opérateur mondial à utiliser des batteries solides dans un projet de véhicule électrique, le groupe Bolloré a dévoilé sa propre voiture électrique, la Bluecar. Ce véhicule était équipé d'une batterie solide métal-lithium-polymère de 30 kWh, produite par sa filiale Batscap, offrant une autonomie de 120 km.

Il convient toutefois de souligner que la batterie solide métal-lithium-polymère du Groupe Bolloré, d'une capacité de 30 kWh, n'atteint qu'une autonomie de 120 km. À titre de comparaison, la Tesla Model 3, équipée d'une batterie liquide de 60 kWh, peut atteindre plus de 400 km d'autonomie. En faisant le calcul, un modèle Tesla équipé d'une batterie liquide de 30 kWh peut dépasser les 200 km d'autonomie, surpassant nettement la Bolloré Bluecar.

La principale raison de l'autonomie significativement réduite de Bluecar par rapport à Tesla, même équipée de batteries de même capacité, est la faible conductivité des batteries solides utilisant des polymères comme électrolyte. Cette limitation explique également pourquoi, bien que Bluecar soit la première entreprise européenne à produire en masse des batteries solides, leur adoption à grande échelle reste difficile. Face à ce goulot d'étranglement, d'autres grandes entreprises européennes du secteur des énergies propres ont cherché des stratégies alternatives : s'associer à des leaders mondiaux des batteries solides pour conserver un avantage concurrentiel dans le futur secteur des batteries automobiles.

Par exemple, Volkswagen a investi massivement dans la société de batteries à semi-conducteurs QuantumScape, cotée en bourse aux États-Unis. Fin 2014, Volkswagen détenait déjà 5% d'actions QS. En 2018 et 2020, le groupe Volkswagen a réalisé deux investissements distincts dans QS, injectant à chaque fois $300 millions, devenant ainsi le principal actionnaire de l'entreprise.

Parallèlement, les deux entreprises ont également créé une coentreprise visant à construire une ligne de production de batteries à semi-conducteurs d'ici 2025. Grâce à un soutien financier important, la technologie de QuantumScape n'a cessé de progresser. Par exemple, les anciennes batteries monocouches QS, à température et pression ambiantes, pouvaient conserver 90% de leur capacité de stockage d'énergie initiale après 1 000 cycles de charge à une température de 1 °C. Aujourd'hui, dans les mêmes conditions, leurs batteries multicouches conservent encore 90% de leur capacité de stockage d'énergie après 800 cycles.

Cependant, à ce jour, QS n'a pas encore lancé de batteries produites en série, tandis que les batteries à semi-conducteurs de ses concurrents entrent progressivement en production de masse, ce qui accroît la pression sur QS. À l'heure actuelle, même si l'Europe a été la première à commercialiser des batteries à semi-conducteurs, la faible conductivité des polymères et les incertitudes entourant la viabilité commerciale des entreprises dans lesquelles elle investit ont ralenti son développement dans le domaine des batteries à semi-conducteurs.

Les géants japonais sont en tête des brevets sur les batteries à l'état solide à base de sulfure

Les sulfures, autrefois présentés comme les électrolytes les plus prometteurs pour les batteries solides, présentent plusieurs avantages, tels qu'une conductivité et une malléabilité élevées. Cependant, l'approche technologique consistant à utiliser les sulfures comme électrolytes implique un processus de production plus complexe. Par exemple, lors de la fabrication, les sulfures peuvent réagir avec l'eau et l'oxygène de l'air, produisant du sulfure d'hydrogène gazeux hautement toxique. La résolution de ce problème nécessite d'affiner le processus de production, ce qui augmente les coûts.

Pour prendre une longueur d'avance dans la course à l'énergie, les entreprises japonaises et coréennes du secteur des énergies propres ont affiché une nette préférence pour l'utilisation de sulfures comme électrolyte dans leurs batteries à semi-conducteurs. Cette complexité des procédés technologiques a contraint ces entreprises à intensifier leurs recherches dans le domaine des batteries à semi-conducteurs, ce qui leur a permis d'accumuler un important portefeuille de brevets techniques.

Selon les données divulguées par Nikkei Chinese Web en collaboration avec la société d'études de brevets Patent Result, de 2000 à fin mars 2022, les principaux fabricants de batteries électriques en termes de brevets de batteries à semi-conducteurs divulgués publiquement étaient Toyota, avec 1 331 brevets ; suivi de Panasonic Holdings avec 445 brevets ; et Showa Shell Sekiyu, troisième avec 272 brevets. Les trois entreprises japonaises concentrent leur R&D sur les batteries à semi-conducteurs à base de sulfure, Toyota étant la plus avancée. Dès le 22 juin 2017, Toyota avait déposé un brevet américain pour une batterie à semi-conducteurs utilisant des sulfures comme électrolyte.

Récemment, Toyota a révélé aux médias qu'elle avait développé une batterie à semi-conducteurs capable d'une autonomie de 1 200 kilomètres, se chargeant en seulement 10 minutes, avec l'intention de lancer sur le marché des véhicules équipés de ces batteries d'ici 2025. Malgré l'ambition de Toyota de produire en masse des véhicules équipés de batteries à semi-conducteurs utilisant des sulfures comme électrolyte, les complexités techniques associées aux coûts élevés dus à l'utilisation de nombreux métaux rares pourraient entraver l'adoption à grande échelle.

Actuellement, le prix moyen mondial de l'électrolyte des batteries lithium-ion ne dépasse pas $10/kg. En revanche, le prix du matériau principal de l'électrolyte solide sulfuré, Li2S, varie entre $1 500 et $2 000/kg. Cela signifie que le prix de l'électrolyte sulfuré est plus de 150 fois supérieur à celui de l'électrolyte utilisé dans les batteries lithium-ion.

Développement des batteries à semi-conducteurs chinoises : les électrolytes à base d'oxyde ouvrent la voie

Les entreprises chinoises, à l'instar des tendances européennes, utilisent principalement des oxydes comme électrolytes pour dynamiser la recherche et le développement de batteries solides. Selon des données incomplètes, après 2022, plusieurs constructeurs automobiles chinois ont commencé à intégrer des batteries semi-solides dans leurs modèles. Plus précisément, des modèles comme l'ES6 de NIO, l'E70 de Dongfeng et la Zhui Feng de Lantu sont principalement équipés de batteries à électrolytes à base d'oxydes.

Néanmoins, les batteries solides utilisant des oxydes comme électrolytes présentent une dureté intrinsèque. Étant donné que les particules d'oxyde se présentent sous une forme ponctuelle, les batteries solides obtenues présentent non seulement une faible malléabilité, mais aussi une porosité élevée. Cette texture rigide peut provoquer des fractures de l'électrolyte, perturbant ainsi la transmission ionique. Cette porosité élevée peut entraver les voies de transfert ionique au sein de la batterie. Par conséquent, pour garantir que les particules de matériau actif maintiennent un contact et une transmission ionique optimaux, même en cas de fissures ou de ruptures, les batteries solides à électrolytes d'oxyde sont naturellement adaptées à un format hybride solide-liquide. Cette conception hybride intègre à la fois la couche d'électrolyte d'oxyde solide et un électrolyte liquide remplissant les pores, contournant ainsi efficacement les problèmes mentionnés précédemment.

Cependant, les batteries solides incorporant des liquides, en raison de leur teneur réduite en électrolytes solides, ne bénéficient pas de la même augmentation de densité énergétique que les batteries entièrement solides. Par exemple, la batterie semi-solide de l'ES6 affiche une densité énergétique de 360 Wh/kg. Par conséquent, si les batteries semi-solides chinoises sont commercialisées, leur modeste augmentation de densité énergétique, leur conductivité inférieure à celle du lithium liquide et le coût élevé des électrolytes oxydes pourraient les reléguer au rang de produits de transition dans l'évolution des batteries.

Pour changer de cap, la récente avancée de l'Université des Sciences et Technologies de Chine présente un nouvel électrolyte solide : l'oxychlorure de lithium et de zirconium. Cet électrolyte innovant présente des performances comparables à celles des électrolytes solides sulfurés et oxydés les plus avancés, mais à un coût de seulement 41 TP3T. Il s'agit indéniablement d'une avancée majeure dans le secteur chinois des batteries solides.

L'introduction de l'oxychlorure de lithium et de zirconium marque des avancées majeures en termes de performance et de coût des électrolytes solides. Cependant, cette technologie est encore en phase de développement. Sa production à grande échelle demeure une incertitude majeure. Quoi qu'il en soit, la découverte de l'oxychlorure de lithium et de zirconium a des implications profondes pour la commercialisation des batteries lithium tout solide.

Dans le contexte actuel, les trois principaux électrolytes de batteries solides – polymères, oxydes et sulfures – présentent tous des défauts inhérents sans solution immédiate en vue. De ce fait, la production actuelle à petite échelle de batteries solides n'est pas aussi rentable pour l'intégration automobile que leurs homologues liquides. Cependant, l'oxychlorure de lithium-zirconium récemment développé par des chercheurs chinois pourrait apporter une lueur d'espoir, révolutionnant potentiellement l'industrie des batteries solides et répondant aux inquiétudes liées à l'autonomie des nouvelles batteries énergétiques.

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