Depuis de nombreuses années, il nous a été assuré que les batteries à semi-conducteurs constitueraient la réponse aux défis rencontrés par les véhicules électriques. Cependant, même si cela s’avère vrai, une autre technologie pourrait représenter la prochaine grande avancée technologique.
L’avenir prometteur de la voiture électrique repose en grande partie sur la poursuite de l’évolution des batteries à un rythme soutenu. Cela nécessitera une réduction des coûts, une densité énergétique accrue dans des modules plus compacts, une recharge rapide permettant des temps comparables à ceux du ravitaillement traditionnel, ainsi que des autonomies suffisamment élevées pour atténuer l’anxiété liée à l’autonomie.
Il est important de rappeler qu’une cellule de batterie est constituée de trois éléments essentiels : l’anode (électrode positive), la cathode (électrode négative) et l’électrolyte, qui sert de séparation entre les deux électrodes. Les avancées réalisées ces dernières années ont permis d’explorer la cathode avec des matériaux tels que le NCM, le LFP ou des chimies sodiques prometteuses.
Les perspectives d’un avenir proche se concentrent sur l’électrolyte, qui évolue de l’état liquide à l’état solide grâce à l’emploi de matériaux céramiques, donnant naissance à ce que l’on désigne comme des batteries à l’état solide. Ces batteries ont suscité, ces dernières années, de grands espoirs pour les véhicules électriques. Elles présentent une densité d’énergie supérieure, une autonomie accrue, des capacités de charge rapide, ainsi qu’une sécurité renforcée et une durée de vie prolongée. Néanmoins, leur coût élevé et la complexité de leur fabrication représentent des obstacles majeurs à leur adoption à court terme.
Par ailleurs, une avancée significative pourrait provenir des recherches sur le troisième élément que nous n’avons pas encore abordé, à savoir l’anode. Actuellement, les batteries lithium-ion utilisent une anode en graphite, un matériau dérivé du carbone. Les recherches récentes visent à remplacer ce composant, principalement dominé par la Chine, par du silicium.
Ces nouvelles batteries présentent également des densités d’énergie très élevées, similaires à celles des batteries à l’état solide, mais elles sont beaucoup plus simples à produire et peuvent être intégrées dans les chaînes de fabrication de batteries existantes. De plus, leur adoption contribuerait à réduire la dépendance vis-à-vis de la Chine dans ce secteur.
Pour illustrer le sujet, la batterie à semi-conducteurs développée par Quantumscape, avec la participation de Volkswagen, pourrait atteindre une densité volumétrique de 844 wattheures par litre. On prévoit que les batteries intégrant une anode en silicium pourraient se rapprocher de ces performances, tout en diminuant significativement les temps de charge de 25 % et en augmentant la densité énergétique de 42 % par rapport aux batteries lithium traditionnelles. De plus, elles permettraient une réduction du poids de la batterie de 73 % et une augmentation de l’autonomie de 50 %.
Des applications sont déjà en cours où le graphite est progressivement remplacé par du silicium en quantités limitées, une possibilité que les batteries à l’état solide ne peuvent pas offrir. L’objectif principal réside dans la capacité à concevoir des anodes entièrement en silicium.
Les études ont révélé qu’un groupe de six atomes de carbone peut accueillir un ion de lithium, tandis que deux atomes de silicium peuvent en accueillir jusqu’à sept. En adoptant des structures en forme d’éponge, il devient également possible de réduire les contraintes mécaniques subies par le silicium, qui se contracte et se dilate lors des cycles de charge et de décharge, ce qui pourrait avoir un impact sur sa longévité.
Les entreprises majeures telles que CATL, Toyota, SAIC (MG) et Mercedes s’efforcent de développer des batteries à l’état solide dans les plus brefs délais, bien qu’elles rencontrent des limitations initiales. Actuellement, la recherche sur les batteries à anode de silicium pourrait prendre une importance croissante dans les années à venir, car elles peuvent être intégrées de manière fluide dans la fabrication de cellules lithium-ion. Les premiers tests dans des domaines tels que l’électronique grand public et l’aviation devraient débuter dès 2025.
