Nous prenons une grande partie de la technologie qui nous entoure pour acquise. Par exemple, des micro-ordinateurs pour des téléphones qui fonctionnent sans recharge toute la journée. Mais je veux que le téléphone fonctionne pendant 3-4 jours sans recharge. Ou une voiture électrique qui peut parcourir 1000 XNUMX kilomètres, se recharger en quelques minutes... et coûter moins cher qu'une voiture à moteur à essence. On a beaucoup parlé des batteries à semi-conducteurs au fil des ans, mais comment ça se passe maintenant ? Et combien de temps devons-nous encore attendre jusqu'à ce que batteries à l'état solide finir à l'intérieur de nos appareils ?
L'exemple le plus récent est Toyota, qui a annoncé une voiture à batterie à semi-conducteurs pendant les Jeux olympiques d'hiver. Les batteries lithium-ion que nous utilisons aujourd'hui, aussi performantes soient-elles, présentent certains inconvénients que les batteries à semi-conducteurs tentent de résoudre.
Qu'est-ce qu'ils ont en commun?
Les deux types utilisent le lithium pour produire de l'électricité et leur structure générale est assez similaire. En termes simples, ils ont une anode (électrode négative), une cathode (électrode positive) et un électrolyte.
Leur principale différence réside dans l'état de l'électrolyte, qui permet de transférer les ions de la cathode vers l'anode lors de la charge et inversement lors de la décharge. En d'autres termes, l'électrolyte régule le flux de courant électrique entre les côtés négatif et positif de la batterie. Alors que les batteries lithium-ion utilisent des électrolytes liquides, les batteries à semi-conducteurs, comme leur nom l'indique, utilisent de fines couches d'électrolyte solide.
Pourquoi est-ce important?
Les électrolytes solides présentent un certain nombre d'avantages importants :
- Sécurité :pélectrolytes acides volatil et s'enflamme facilement à haute température. Contrairement à eux, les électrolytes solides sont plus stables et réduisent les risques d'incendie ou d'explosion.
- Plus haut densité d'énergie et temps de charge plus rapide : pune stabilité accrue signifie que les batteries à semi-conducteurs peuvent stocker 50% d'énergie en plus que leurs homologues au lithium-ion, alors qu'elles devraient atteindre 80% de charge en 12 minutes.
À gauche, nous voyons la structure d'une batterie lithium-ion et à droite, nous voyons la structure d'une batterie à semi-conducteurs.
3. Poids et taille plus légers : Alors que le liquide à l'intérieur des batteries lithium-ion les rend plus lourdes, la structure compacte des batteries à semi-conducteurs permet une densité d'énergie plus élevée par unité de surface, ce qui signifie que moins de batteries sont nécessaires.
Les batteries à semi-conducteurs remplaceront-elles les batteries lithium-ion ?
En théorie, oui, ou du moins c'est là que les choses se dirigent. En fait, de nombreux constructeurs automobiles investissent déjà dans cette technologie, notamment Volkswagen, Toyota, Ford et BMW. Cependant, dans la pratique, les cellules des batteries à semi-conducteurs sont produites une par une dans les laboratoires, et pour les amener à la production de masse - une tâche coûteuse et encore insuffisamment développée.
Il est difficile de développer un électrolyte solide qui soit à la fois stable, chimiquement inerte et bon conducteur d'ions entre les électrodes. De plus, les électrolytes sont trop coûteux à fabriquer et ont tendance à se fissurer en raison de leur fragilité lorsqu'ils sont dilatés et comprimés pendant l'utilisation. Mais peut-être que les batteries lithium-ion deviendront progressivement plus abordables, cela arrivera.
Quelles études ont déjà été faites ?
Ces dernières années, de nombreuses études intéressantes ont été menées, qui visaient à résoudre ce problème. Les chercheurs du MIT ont développé des conducteurs dits mixtes ions-électrons (MIEC), ainsi que des isolants électroniques et lithium-ion (ELI). Il s'agit d'une architecture cellulaire tridimensionnelle avec des tubes MIEC à l'échelle nanométrique. Les tubes sont remplis de lithium, qui forme l'anode. Un élément clé de cette découverte est que la structure cellulaire permet au lithium de se dilater et de se contracter pendant la charge et la décharge. Cette "respiration" de la batterie évite les fissures. Le revêtement des tubes ELI agit comme une barrière les protégeant de l'électrolyte solide. C'est la structure d'une batterie à l'état solide, qui nous évite d'avoir à ajouter n'importe quel liquide ou gel, et nous permet donc d'éviter les dendrites.
Une société appelée Systèmes de stockage d'ions a développé un électrolyte céramique ultrafin d'environ 10 micromètres d'épaisseur, soit à peu près la même épaisseur que les séparateurs en plastique modernes qui utilisent des électrolytes liquides. Chaque côté de l'électrolyte en céramique est recouvert d'une couche ultra-mince d'oxyde d'aluminium qui aide à réduire la résistance. Le prototype de batterie a une capacité énergétique d'environ 300 Wh/kg et peut être rechargé en 5 à 10 minutes. A titre de comparaison : les batteries NCA modernes atteignent une capacité énergétique d'environ 250 Wh/kg.
A l'exposition CES cette année, Mecedes a présenté le concept-car AVTR, composé de matériaux respectueux de l'environnement, qui dispose également d'une batterie entièrement recyclable. Dans une interview, Andreas Hintennach, directeur principal de la recherche sur les batteries chez Mercedes, a déclaré que la technologie des batteries est actuellement en cours de test en laboratoire et sera prête dans 10 à 15 ans. CATL (le partenaire chinois de Tesla en matière de batteries) a également développé un exemple de batterie à semi-conducteurs, mais ils ont indiqué qu'elle n'arriverait pas sur le marché avant 2030.
La production continue de batteries à semi-conducteurs est attendue sera fixé à partir de 2025, mais initialement pas dans l'industrie automobile.
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