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

Actuellement, le souci d’autonomie reste le plus grand obstacle au remplacement mondial complet des voitures à essence par des véhicules à énergies nouvelles. 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 de recharge sont non seulement coûteuses, mais manquent également d'une couverture étendue. Pour véritablement répondre aux problèmes 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 de systèmes à semi-conducteurs.batteries avec une densité énergétique plus élevée. En fonction du choix de l'électrolyte, ces régions ont adopté trois voies technologiques distinctes :

• Europe : se concentre principalement sur les polymères (avec une conductivité d'environ 10-7-10-5S/cm) comme électrolyte pour les batteries à semi-conducteurs. Cependant, en raison de la faible conductivité des polymères, les batteries solides européennes produites en série offrent une autonomie inférieure à celle des batteries au lithium liquide de même capacité.
• Japon et Corée du Sud : ils mettent principalement l'accent sur les sulfures (avec une conductivité d'environ 10-3-10-2S/cm) comme électrolyte. Si ce matériau possède une conductivité idéale, son processus de fabrication complexe et l’inclusion de métaux rares ont entravé sa commercialisation.
• Chine : se tourne principalement vers les oxydes (avec une conductivité d'environ 10-6-10-3S/cm) comme électrolyte. Compte tenu de la rigidité et de la porosité élevée du matériau, qui peuvent entraver la circulation fluide des ions, la technologie actuelle nécessite l'inclusion d'un électrolyte, produisant une batterie semi-solide. Cependant, cela réduit la densité énergétique de la batterie. En conséquence, même si ces batteries semi-solides fabriquées à partir d'oxydes ont été intégrées dans des modèles haut de gamme par des sociétés comme NIO et Dongfeng, leur rapport coût-efficacité n'a pas été suffisamment frappant pour justifier une production à grande échelle.

S'éloignant de ces voies technologiques traditionnelles, des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine ont récemment développé de l'oxychlorure de lithium et de zirconium. En termes de conductivité ionique, de déformabilité et de coût, ce matériau surpasse à la fois les oxydes et les sulfures. L’avènement de l’oxychlorure de lithium et de 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 d’énergie propre utilisent principalement des polymères comme électrolyte pour faire avancer la recherche sur les batteries à semi-conducteurs. Un acteur notable dans ce domaine est le groupe français Bolloré. En 2011, le Groupe Bolloré, en tant que premier opérateur au monde à utiliser des batteries à semi-conducteurs dans un projet de véhicule électrique, a dévoilé son véhicule électrique développé en interne, 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, ne gère qu'une autonomie de 120 km. En revanche, la Model 3 de Tesla, équipée d'une batterie liquide de 60 kWh, peut atteindre une autonomie de plus de 400 km. En faisant le calcul, un modèle Tesla équipé d’une batterie liquide de 30 kWh peut dépasser une autonomie de 200 km, surpassant nettement la Bolloré Bluecar.

La principale raison de l'autonomie considérablement réduite de Bluecar par rapport à Tesla, même lorsqu'elle est équipée de batteries de même capacité, est la faible conductivité des batteries à semi-conducteurs qui utilisent des polymères comme électrolyte. Cette limitation souligne également pourquoi, bien qu’elle soit la première en Europe à produire en masse des batteries à semi-conducteurs, son adoption à grande échelle reste difficile à réaliser. Face à ce goulot d'étranglement, d'autres grandes entreprises européennes d'énergie propre ont recherché des stratégies alternatives : s'associer avec les principaux fabricants mondiaux de batteries à semi-conducteurs 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 % des actions de QS. En 2018 et 2020, le groupe Volkswagen a réalisé deux investissements distincts dans QS, investissant à chaque fois 300 millions de dollars, devenant ainsi le principal actionnaire de l'entreprise.

Parallèlement, les deux sociétés 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 précédentes batteries monocouche QS, à température et pression ambiantes, pouvaient conserver 90 % de leur stockage d'énergie initial après 1 000 cycles de charge à un taux de 1 C. Désormais, dans les mêmes conditions, leurs batteries multicouches peuvent encore conserver 90 % de leur stockage d'énergie après 800 cycles.

Toutefois, à ce jour, QS n'a pas déployé de batteries produites en série, tandis que les batteries à semi-conducteurs de ses concurrents entrent progressivement dans la production de masse, ce qui accroît la pression sur QS. Dans l’état actuel des choses, 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 elles investissent ont ralenti leur progression dans le domaine des batteries à semi-conducteurs.

Les géants japonais sont en tête des brevets sur les batteries à semi-conducteurs à base de sulfure

Les sulfures, autrefois présentés comme les électrolytes les plus prometteurs dans les batteries à semi-conducteurs, possèdent plusieurs avantages tels qu'une conductivité et une malléabilité élevées. Cependant, l’approche technologique consistant à utiliser les sulfures comme électrolytes s’accompagne d’un processus de production plus complexe. Par exemple, au cours du processus de fabrication, les sulfures peuvent réagir avec l’eau et l’oxygène de l’air, produisant du sulfure d’hydrogène gazeux hautement toxique. Résoudre ce problème nécessite d’affiner le processus de production, ce qui augmente par la suite les coûts.

Pour prendre une longueur d'avance dans la course à l'énergie, les sociétés japonaises et coréennes d'énergie propre ont montré une nette préférence pour l'utilisation de sulfures comme électrolyte dans leurs batteries à semi-conducteurs. Cette complexité des procédures technologiques a contraint ces entreprises à intensifier leurs recherches dans le domaine des batteries à semi-conducteurs, les conduisant à accumuler un important portefeuille de brevets techniques.

Selon les données divulguées par Nikkei Chinese Web en collaboration avec la société d'enquête sur les brevets Patent Result, de 2000 à fin mars 2022, les principales sociétés de batteries électriques en termes de brevets sur les batteries à semi-conducteurs divulgués publiquement étaient Toyota, avec 1 331 brevets ; suivi de Panasonic Holdings avec 445 brevets ; et Showa Shell Sekiyu se classe troisième avec 272 brevets. Les trois sociétés 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 une demande de 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, et prévoit d'introduire sur le marché des véhicules équipés de ces batteries d'ici 2025. Malgré l'ambition de Toyota de commercialiser en masse -produire des véhicules équipés de batteries à semi-conducteurs utilisant des sulfures comme électrolyte, les complexités techniques couplées aux coûts élevés dus à l'utilisation de nombreux métaux rares pourraient entraver une adoption à grande échelle.

Actuellement, le prix moyen mondial de l’électrolyte contenu dans les batteries lithium-ion ne dépasse pas 10 dollars/kg. En revanche, le matériau principal de l’électrolyte solide sulfuré, Li2S, varie entre 1 500 et 2 000 dollars/kg. Cela signifie que l’électrolyte sulfuré coûte plus de 150 fois le prix de l’électrolyte utilisé dans les batteries lithium-ion.

Développement de batteries à semi-conducteurs en Chine : les électrolytes à oxyde ouvrent la voie

Les entreprises nationales, à l’image des tendances européennes, utilisent principalement les oxydes comme électrolyte pour propulser la recherche et le développement de batteries à semi-conducteurs. 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 le Zhui Feng de Lantu comportent principalement des batteries avec des électrolytes à base d'oxyde.

Néanmoins, les batteries à semi-conducteurs qui utilisent des oxydes comme électrolytes présentent une dureté intrinsèque. Étant donné que les particules d’oxyde existent sous forme de contact ponctuel, les batteries à semi-conducteurs résultantes possèdent non seulement une faible malléabilité, mais présentent également une porosité élevée. Cette texture rigide peut provoquer des fractures de l’électrolyte, perturbant ainsi la transmission des ions. La porosité élevée peut entraver les voies de transfert d’ions au sein du système de batterie. Par conséquent, pour garantir que les particules de matière active maintiennent un contact et une transmission ionique optimaux même en cas de fissures ou de cassures, les batteries solides à électrolytes oxydes 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, évitant ainsi les problèmes susmentionnés.

Cependant, les batteries à semi-conducteurs qui incorporent des liquides, en raison de leur teneur réduite en électrolyte solide, ne bénéficient pas de la même augmentation de densité énergétique que les batteries entièrement solides. Par exemple, la batterie semi-solide de l’ES6 a une densité énergétique de 360 ​​Wh/kg. En conséquence, même si les batteries semi-solides chinoises ont atteint leur commercialisation, leur légère augmentation de la densité énergétique, leur conductivité inférieure à celle du lithium liquide et le coût élevé des électrolytes d’oxyde pourraient les reléguer au rang de produits de transition dans l’évolution des batteries.

En déplaçant notre attention, la récente percée de l’Université des sciences et technologies de Chine présente un nouvel électrolyte à l’état solide : l’oxychlorure de lithium et de zirconium. Cet électrolyte innovant présente des performances comparables à celles des électrolytes solides à base de sulfure et d'oxyde les plus avancés, mais à seulement 4 % du coût de ces derniers. Il s’agit indéniablement d’un développement révolutionnaire dans le secteur chinois des batteries à semi-conducteurs.

Cette introduction de l’oxychlorure de lithium et de zirconium signifie des percées simultanées dans les aspects performances et coûts des électrolytes à l’état solide. Pourtant, cette technologie est actuellement en phase de laboratoire. La possibilité de le produire à grande échelle reste une incertitude importante. Quoi qu’il en soit, la découverte de l’oxychlorure de lithium et de zirconium a de profondes implications pour la commercialisation des batteries au lithium entièrement solides.

Dans le scénario actuel, les trois principaux électrolytes des batteries à semi-conducteurs (polymères, oxydes et sulfures) présentent tous des défauts inhérents sans aucune solution immédiate en vue. Cela a conduit à ce que la production actuelle à petite échelle de batteries à semi-conducteurs ne soit pas aussi rentable pour l'intégration dans les véhicules que leurs homologues liquides. Cependant, l'oxychlorure de lithium et de zirconium récemment développé par des chercheurs chinois pourrait bien apporter une lueur d'espoir, révolutionnant potentiellement l'industrie des batteries à semi-conducteurs et répondant à l'anxiété liée à l'autonomie associée aux nouvelles batteries énergétiques.