Des chercheurs de Harvard ont fabriqué une batterie à semi-conducteurs qui se recharge en dix minutes et dure 30 ans, mais cette technologie très médiatisée reste une solution à long terme pour la transition énergétique.
Les gens adoptent lentement mais sûrement les véhicules électriques (VE), mais le rythme de cette transition doit encore s'accélérer pour que le monde puisse atteindre son objectif de zéro émission nette en 2050. Malgré les améliorations exponentielles des véhicules électriques, de nombreux conducteurs hésitent encore à les quitter. derrière le confort de leurs voitures à essence. Outre le coût, les préoccupations concernant le manque de stations de recharge et la durée de vie des batteries ont été citées comme les principaux obstacles empêchant les consommateurs américains d'acheter un véhicule électrique dans une enquête Ipsos Mori de l'année dernière. Pour les constructeurs automobiles, cela s’explique en grande partie par les restrictions persistantes sur l’autonomie et la longévité des batteries lithium-ion (Li-ion) actuelles sous le capot des véhicules électriques.
Cependant, une équipe de scientifiques de l’Université Harvard estime avoir franchi une étape importante vers la résolution de ces dilemmes. Des chercheurs de la Faculté d’ingénierie et des sciences appliquées (SEAS) ont développé un nouveau "état solide » batterie qui peut se charger dans le temps nécessaire pour remplir un réservoir d’essence et supporter 3 à 6 fois plus de cycles de charge qu’une batterie EV typique.
Les batteries à semi-conducteurs ont longtemps été considérées comme le Saint Graal d’une transition généralisée vers les transports électrifiés, et la course à leur commercialisation s’est accélérée ces dernières années. Des sociétés comme Toyota et Volkswagen développent leurs propres versions, qu'ils espèrent intégrer dans les véhicules d'ici la fin de la décennie. Fortes de cette dernière innovation de Harvard, les batteries à semi-conducteurs sont-elles enfin prêtes à être à la hauteur de leur engouement ?
Les avantages des électrolytes solides par rapport aux électrolytes liquides
Aujourd’hui, les batteries Li-ion font la loi ; ils sont utilisés dans tout, des téléphones mobiles et ordinateurs portables aux véhicules électriques et aux systèmes de stockage d’énergie. Les chercheurs et les fabricants ont réduit le prix des batteries Li-ion de 90 % au cours de la dernière décennie et pensent pouvoir les rendre encore moins chères. Ils pensent également pouvoir fabriquer une batterie au lithium encore meilleure.
Ces batteries utilisent un électrolyte liquide pour déplacer les ions entre une cathode et une anode lors de la décharge et de la charge. Cependant, le liquide est inflammable et empêche l’ajout de matériaux prolongeant la durée de vie de la batterie. Les chercheurs pensent qu’une solution serait d’utiliser des électrolytes solides plutôt que liquides.
Ces batteries à semi-conducteurs promettent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues à base de liquide. Surtout, ils offrent une densité énergétique plus élevée ; ce qui signifie qu'ils peuvent stocker plus d'énergie par unité de volume ou de poids, ce qui conduit soit à une durée de vie plus longue de la batterie, soit à des batteries plus petites et plus légères. Ils promettent également une durée de vie plus longue ; résister à plus de cycles de charge-décharge sans se dégrader, augmentant ainsi la durée de vie de la batterie. L'utilisation d'un électrolyte solide permet également une charge beaucoup plus rapide sans risque d'endommagement de la batterie grâce à un transport d'ions plus efficace.
Les batteries à semi-conducteurs peuvent fonctionner sur une plage de températures plus large que les batteries à base de liquide, ce qui permet une meilleure utilisation dans des conditions météorologiques extrêmes. Ils sont généralement considérés comme plus sûrs car un électrolyte solide réduit le risque de courts-circuits et de surchauffe, pouvant entraîner des incendies ou des explosions dans les batteries à base liquide. Enfin, l’électrolyte solide peut être fabriqué à partir d’une gamme plus large de matériaux moins chers et plus respectueux de l’environnement.
Dans l’ensemble, les batteries à semi-conducteurs ont le potentiel de révolutionner l’industrie des batteries en offrant des performances, une sécurité et une longévité améliorées par rapport aux batteries lithium-ion traditionnelles. "En raison de leur densité énergétique élevée, les batteries à semi-conducteurs seront plus appropriées pour les véhicules électriques que pour les systèmes de stockage d'énergie [stationnaires], et peuvent réellement contribuer de manière importante à l'électrification des transports lourds", déclare Teo Lombard, modélisateur énergétique pour transports à l’Agence internationale de l’énergie (AIE).
« Un pas en avant » dans la conception des batteries à semi-conducteurs
Les chercheurs de SEAS ont développé une batterie de la taille d’un timbre-poste en utilisant une conception « pile de poche », plutôt que la variante typique « pile bouton ». La batterie a conservé 80 % de sa capacité après 6,000 XNUMX cycles de charge et a bien fonctionné à basse température. Elle a surpassé les autres batteries à semi-conducteurs, car les chercheurs ont trouvé un moyen de la fabriquer avec une anode au lithium-métal, qui a dix fois la capacité d'une anode en graphite typique.
La nouvelle conception multicouche et multimatériau a permis de surmonter le problème omniprésent des « dendrites » – des structures ressemblant à des racines qui se développent depuis la surface de l’anode jusqu’à l’électrolyte. Ceux-ci peuvent percer la barrière séparant la cathode opposée, provoquant un court-circuit de la batterie et, parfois, un incendie.
La durée de vie prolongée de la batterie – équivalente à environ 30 ans – pourrait réduire considérablement le coût des véhicules électriques, tandis que la capacité de charger la batterie en quelques minutes lui confère une densité de puissance exceptionnelle qui pourrait se prêter à d'autres applications.
« Nous avons pu charger la batterie en 5 à 10 minutes pour 6,000 1,000 cycles ; il faut généralement plusieurs heures aux batteries des véhicules électriques pour se charger et elles ont entre 2,000 XNUMX et XNUMX XNUMX cycles », explique Xin Li, professeur agrégé de science des matériaux à SEAS et chercheur principal du projet. « Nos recherches montrent également que l’on pourrait utiliser d’autres matériaux comme anode, comme l’argent, le magnésium ou le silicium. Il s’agit sans aucun doute d’un pas en avant vers l’augmentation de la production de masse de batteries à semi-conducteurs.
« Du laboratoire au monde réel »
Mais tout le monde n’est pas convaincu. "Le défi actuel des batteries à semi-conducteurs est la mise en œuvre et la mise à l'échelle, plutôt que d'obtenir quelque chose d'encore mieux au niveau des cellules", explique Lombard.
D'un point de vue technique, un défi que l'industrie doit encore surmonter est la fabrication d'une batterie à semi-conducteurs capable de supporter une pression extrêmement élevée tout en étant également capable de « respirer » – de se dilater et de se contracter. "La solution à ce problème pourrait annuler les gains de densité énergétique des batteries à semi-conducteurs. C'est donc vraiment une question à laquelle l'industrie devra répondre dans les années à venir grâce au processus de mise à l'échelle", explique Lombard.
Du point de vue de la sécurité, un autre problème que les fabricants de batteries à semi-conducteurs doivent surmonter est que même si une batterie à semi-conducteurs ne prend pas feu lorsqu'elle court-circuite, d'autres matériaux présents dans le moteur pourraient le faire. « Encore une fois, il s'agit d'un défi technique qui doit être testé et vérifié au niveau industriel », explique Lombard.
Enfin, il existe un obstacle considérable à la mise en place d’une chaîne d’approvisionnement pour les batteries à semi-conducteurs. Selon Lombard, les chaînes d'approvisionnement en batteries nécessitent des matériaux de haute qualité en très grandes quantités, car une batterie ne parvient pas à fonctionner même avec une infime quantité de contaminants. «Cela prend beaucoup de temps à construire», dit-il. "C'est également dû au fait que le domaine plus large des batteries connaît une croissance exponentielle, de sorte que les semi-conducteurs n'entrent pas dans un marché fixe mais plutôt dans un marché dans lequel chaque technologie - y compris la batterie lithium-ion traditionnelle - s'améliore à une vitesse folle et vous devez gagner du terrain. de l'espace dedans.
Pour Lombard, le succès des batteries à semi-conducteurs ne dépendra pas de nouvelles avancées académiques – « aussi importantes soient-elles », prévient-il – mais plutôt de la manière dont l’industrie résoudra les défis techniques restants et développera la chaîne d’approvisionnement associée.
« Les batteries à semi-conducteurs ont un énorme potentiel, mais la façon dont l'industrie résoudra ces défis [d'ingénierie] déterminera si elles conquériront le marché des batteries pour véhicules électriques ou si elles resteront une application de niche pour les voitures et les camions sur de très longues distances », dit-il.
Selon une étude récente de Focus, une plateforme d'analyse d'IA qui prédit les avancées technologiques sur la base des données mondiales sur les brevets, la technologie des batteries à semi-conducteurs s'améliore à un rythme de 31 % d'une année sur l'autre. Bien qu’impressionnant, ce rythme n’est actuellement pas suffisant pour perturber les opérateurs historiques – les batteries Li-ion s’améliorant au même rythme de 30.5 %.
L’AIE prévoit que les batteries à semi-conducteurs joueront un rôle important dans la transition vers le zéro émission nette, notamment pour décarboner les transports lourds grâce à des applications telles que les camions électriques. « Mais il est important de ne pas exagérer ou sous-estimer l'industrie », déclare Lombard. Si les batteries à semi-conducteurs parviennent à réaliser leur potentiel, ce sera dans les années 2030, prédit-il. « À l’heure actuelle, ils doivent vraiment passer du laboratoire au monde réel. »
Pour sa part, Li estime qu’il faudra attendre environ 2030 avant que l’état solide ne se généralise. « D’ici là, il reste encore de nombreux obstacles techniques à surmonter », explique-t-il. « Les avancées [récentes] n’avancent pas nécessairement la date de 2030, elles rendent cette date possible. »
Source à partir de Juste une voiture
Avis de non-responsabilité : les informations présentées ci-dessus sont fournies par just-auto.com indépendamment d'Alibaba.com. Alibaba.com ne fait aucune représentation ni garantie quant à la qualité et à la fiabilité du vendeur et des produits.
