Les batteries lithium-ion alimentent nos appareils et nos véhicules électriques depuis des années, mais les batteries solides sont désormais considérées comme la prochaine grande innovation. Est-ce que cette affirmation est vraie ?
Malgré le battage médiatique, il n’est pas possible aujourd’hui d’acheter une voiture équipée d’une batterie solide. Bien qu’elles soient très prometteuses, il y a encore du chemin à faire pour rendre les batteries solides exploitables commercialement pour les véhicules électriques. Cependant, d’importants investissements dans la recherche et le développement visent à changer cela dans les années à venir.
Dans cet article, nous explorons les raisons pour lesquelles les batteries solides pourraient surpasser les batteries lithium-ion à l’avenir, mais tout d’abord…
Table des matières
Analysons la structure des batteries lithium-ion et des batteries solides, puis mettons en évidence leurs principales différences.
Les batteries lithium-ion sont composées des éléments principaux suivants :
Pendant la charge et la décharge, les ions lithium se déplacent entre l’anode et la cathode à travers l’électrolyte liquide. Bien qu’efficaces, les batteries lithium-ion présentent des risques pour la sécurité en raison de leur électrolyte liquide inflammable.
Les batteries solides ont une structure similaire, mais avec une différence cruciale :
Cet électrolyte solide est la clé de nombreux avantages offerts par les batteries solides, notamment une sécurité et une stabilité accrues.
Bien que la pénurie de lithium reste une source de préoccupation, les batteries lithium-ion sont aujourd’hui largement disponibles et bénéficient d’une infrastructure de fabrication bien établie. Bien qu’il s’agisse d’une technologie mature, la recherche et le développement continus permettent d’améliorer sans cesse les performances, la durée de vie et la sécurité des batteries lithium-ion.
Les batteries solides sont encore principalement confinées aux laboratoires et aux prototypes à petite échelle. De plus, il reste encore des défis importants à relever avant qu’elles ne se généralisent.
Les matériaux utilisés dans les batteries solides, en particulier l’électrolyte solide, sont actuellement plus coûteux que ceux utilisés dans les batteries lithium-ion. Le processus de fabrication lui-même est plus complexe et nécessite un équipement spécialisé.
Les équipements de fabrication de batteries existants sont conçus pour les batteries à électrolyte liquide et ne conviennent pas à la production de batteries solides. De nouveaux équipements spécialisés doivent être développés et produits à grande échelle, ce qui nécessite des investissements importants.
Les fabricants s’efforcent également de relever plusieurs défis techniques :
Malgré ces défis, les grands constructeurs automobiles et les entreprises technologiques réalisent des investissements substantiels pour surmonter ces obstacles. De nombreux experts estiment que les batteries solides pourraient devenir commercialement exploitables dans les 5 à 10 prochaines années, révolutionnant ainsi le stockage d’énergie pour les véhicules électriques et d’autres applications.
| Caractéristique | Batteries lithium-ion | Batteries solides |
|---|---|---|
| Densité énergétique | 160 à 250 Wh/kg | 250 à 800 Wh/kg |
| Sécurité | Risque de surchauffe et d’inflammabilité dû à l’électrolyte liquide | Risque d’incendie considérablement réduit, électrolyte solide ininflammable |
| Durée de vie | Se dégrade avec le temps en raison des réactions chimiques provoquées par les températures élevées, les cycles de décharge profonde, les taux de recharge élevés, etc. | Potentiellement plus longue durée de vie, mais présente actuellement des défis liés à la formation de fissures |
| Vitesse de charge | Modérée à rapide, sensible à la température | Potentiel de recharge ultrarapide |
| Disponibilité actuelle | Infrastructure de fabrication largement disponible et bien établie | Principalement dans les laboratoires et pour la production à petite échelle et les prototypes |
| État de la production | Technologie mature en constante amélioration | Coûts de production élevés, formation de fissures lors de la charge/décharge. Problèmes à résoudre avant de passer à la production à grande échelle |
| Commercialisation | Actuellement utilisé dans les véhicules électriques et autres applications | Prévu vers 2026-2027 pour les véhicules électriques |
| Avantages principaux | Technologie éprouvée, actuellement plus robuste et disponible | Densité énergétique plus élevée, sécurité améliorée, potentiel de recharge plus rapide |
| Défis principaux | Problèmes de sécurité, densité énergétique limitée | Coûts de production élevés, problèmes techniques liés à la mise à l’échelle |
Les batteries lithium-ion utilisées dans les véhicules électriques ont généralement une densité énergétique comprise entre 160 Wh/kg (chimie LFP) et 250 Wh/kg (chimie NMC). Des recherches sont en cours pour améliorer ces chiffres. Par exemple, à l’université nationale de Yokohama, des chercheurs étudient l’utilisation du manganèse dans l’anode afin d’améliorer la densité énergétique des batteries LFP.
Les batteries solides offrent un potentiel de densité énergétique beaucoup plus élevé. Les modèles à couche mince peuvent atteindre 300 à 800 Wh/kg, tandis que les modèles volumineux affichent environ 250 à 500 Wh/kg. Des recherches récentes menées par Mercedes et Factorial affirment avoir atteint 450 Wh/kg dans un nouveau type de batterie solide, qui est 33 % plus petite et 40 % plus légère que les batteries lithium-ion comparables.
L’électrolyte liquide présent dans les batteries lithium-ion présente un risque de surchauffe et d’inflammabilité, même si les risques réels sont souvent exagérés.
« Chaque étude nous rend de plus en plus confiants dans notre capacité à résoudre les problèmes de sécurité et d’autonomie des véhicules électriques », a déclaré Chunsheng Wang, professeur d’ingénierie chimique et biomoléculaire à l’université du Maryland, à NBC News.
Les batteries solides, avec leur électrolyte solide ininflammable, réduisent considérablement les risques d’incendie et éliminent les problèmes de dégagement de gaz. Elles sont également plus faciles à contrôler en ce qui concerne la température.
Les batteries lithium-ion se dégradent avec le temps en raison de réactions chimiques, ce qui réduit leur durée de vie. Les batteries solides ont le potentiel d’avoir une durée de vie plus longue, mais elles sont actuellement confrontées à des défis liés à la formation de fissures dans l’électrolyte solide pendant les cycles de charge et de décharge, ce qui augmente la résistance.
Les batteries lithium-ion offrent une recharge modérée à rapide, mais sont sensibles à la température.
Les batteries solides sont prometteuses en matière de capacités de recharge ultrarapide, certains prototypes atteignant 80 % de charge en moins de quelques minutes. Elles sont également moins sensibles aux fluctuations de température.
Les instituts de recherche et les entreprises font des progrès considérables dans les technologies des batteries lithium-ion et à semi-conducteurs :
La recherche et le développement se poursuivent afin d’améliorer ces deux types de batteries. Les batteries solides devraient être commercialisées vers 2026-2027, avec des avancées significatives promettant des solutions à recharge rapide et à haute densité énergétique pour les véhicules électriques. Le plus grand constructeur automobile mondial, Toyota, a annoncé son intention de lancer la production en série en 2027-2028, avec un temps de recharge de 10 minutes et une autonomie de plus de 620 miles.
La réponse à cette question dépend de votre critère d’évaluation des batteries : vos besoins actuels ou leur potentiel futur.
Les batteries lithium-ion sont plus robustes et disponibles dès maintenant, mais elles présentent certains problèmes en matière de sécurité et de durée de vie. Les batteries solides sont supérieures en matière de densité énergétique, de sécurité et de vitesse de charge, mais elles en sont encore à un stade précoce de développement et leur production est coûteuse.
À mesure que la recherche progresse et que les processus de fabrication s’améliorent, les batteries solides semblent appelées à devenir le choix privilégié pour les véhicules électriques si les défis restants peuvent être résolus. Cependant, pour l’instant, les batteries lithium-ion restent le choix pratique pour la plupart des applications.
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Expert technique et consultant en batteries et systèmes de propulsion électrique, Stéphane est titulaire d’un diplôme en physique avec une spécialisation en photonique, optique, électronique, robotique et acoustique. Investi dans la transition vers les véhicules électriques, il a conçu des batteries industrielles pour vélos électriques. Pendant son temps libre, il anime une chaîne YouTube consacrée à tout ce qui touche à l’électricité.
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