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Batteries de voiture à l’état solide

Batteries de voiture à l’état solide

Une batterie de voiture à l’état solide fonctionne sur le même principe qu’une batterie de voiture traditionnelle, à une différence près : le corps de la batterie, situé entre les pôles positif et négatif et où circule l’énergie, est composé de matériaux solides et non liquides.

Si ces batteries à corps ou électrolyte solide n’en sont – à quelques exceptions près – qu’au stade de la recherche et développement, les nombreux avantages qu’elles pourraient présenter en font l’une des pistes principales d’innovation pour l’industrie automobile électrique. Quels en seraient ces avantages ? Ces batteries sont-elles vraiment l’avenir de l’industrie ? AUTODOC vous répond.

Les batteries électriques à électrolyte liquide

Une batterie électrique est en fait une accumulation sous forme de mise en série (ou mise en batterie – l’origine du mot) de piles électriques, ou plus spécifiquement électrochimique. Les spécificités de cet agencement jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement d’une batterie électrique, mais c’est au niveau du fonctionnement des piles électrochimiques dont elle est constituée que se situe la différence technologique entre batterie à électrolyte liquide et batterie à électrolyte solide.

Une pile électrique liquide, lorsque celle-ci a un rôle d’accumulateur (c’est-à-dire pouvant être chargée puis déchargée), fonctionne sur un principe simple. Elle est composée de deux électrodes qui servent de pôles positif et négatif, appelées anodes et cathodes. Entre ces deux pôles se trouve un corps liquide contenant des ions, nommé électrolyte, qui agit comme conducteur. La migration des électrons d’un pôle à l’autre via l’électrolyte est ce qui permet le passage du courant électrique. Lors du déchargement – c’est-à-dire de l’utilisation de l’énergie accumulée dans la pile -, il se produit une migration des électrons, qui sortent par l’anode (pôle négatif) et rentrent par la cathode (pôle positif). Lors du chargement, c’est un processus inverse qui se produit, où les électrons entrent par l’anode et se déplacent vers la cathode.

La plupart des batteries pour voitures électriques actuelles sont des batteries Lithium-ion ou Li-on qui présentent cependant plusieurs pistes d’amélioration. Les batteries solides pour voitures électriques pourraient ainsi finir par les remplacer, en répondant à plusieurs enjeux principaux :

Les batteries électriques à électrolyte solides : la solution à plusieurs problèmes ?

Batterie solide voiture électrique
  • i LE VOLUME : le volume d’une batterie est corrélé à sa capacité de stockage. L’unité de mesure pour mesurer ce qu’on appelle la densité énergétique est le Watt heure par kilogramme (Wh/kg). L’augmentation de la densité énergétique d’une batterie permet une augmentation de l’autonomie de la voiture et/ou une diminution de son volume, enjeu majeur de la conception et de la production de véhicules électriques. Les matériaux utilisés expérimentalement dans les essais des batteries tout solide (céramique, sulfure, oxydes, polymères…) permettent de produire des batteries moins volumineuses et plus légères. Certaines estimations annoncent pour les nouvelles batteries solides une densité de stockage doublée pour une batterie liquide de même volume (ou, alternativement, un volume divisé par deux pour une batterie liquide de même autonomie).
  • i L’AUTONOMIE : directement lié à la capacité de stockage de leur batterie, l’autonomie des voitures électriques reste encore relativement faible. La plupart des véhicules commercialisés disposent d’une autonomie allant de 150 à 500 km en cycle WLTP (procédure d’essai mondial harmonisée pour véhicules légers permettant de comparer véhicules et marques). L’augmentation de l’autonomie des batteries reste donc un enjeu écologique et commercial central. La capacité de stockage des batteries Li-ion les plus performantes est de 270 Wh/kg, mais les espoirs portent sur l’atteinte de 450 Wh/kg pour une autonomie de 700 km. Toyota/Panasonic espèrent pouvoir atteindre 1 000 km.
  • i LE TEMPS DE CHARGE : il est prévu que la technologie des batteries solides permette un temps de recharge plus rapide, car l’électrolyte supporte mieux les charges rapides et permet l’usage de nouveaux matériaux pour les électrodes. Toyota / Panasonic annoncent 10 minutes.
  • i LA DURÉE DE VIE : la durée de vie d’une batterie se mesure au nombre de cycles de chargement et de déchargement pouvant être effectués sans perte de capacité de stockage. Toyota annonce 90 % des performances conservées sur 30 ans.
  • i SÉCURITÉ : absence de composants inflammables, stabilité en température. Si la pile est perforée, de l’hydroxyde de lithium se forme, pouvant créer incendies/explosions. (interdiction dans les avions). Le problème peut être contourné à l’aide de la technologie du gel polymère, cependant celui-ci présente une plus faible densité énergétique.

Alors, les batteries solides pour voitures électriques, c’est pour quand ?

Batteries électriques solides : où en est l’industrie ?

Ces batteries en sont encore le plus souvent en phase de développement. Si des batteries solides sont déjà techniquement possibles, à l’instar de celle proposée par la société française Bolloré Blue Solutions (dont étaient autrefois équipées les AutoLib’ et certains bus électriques) celles-ci font encore face à de nombreux obstacles les rendant encore très difficiles d’utilisation dans la plupart des contextes industriels, des transports lourds aux véhicules particuliers.

  • DES PROBLÈMES TECHNOLOGIQUES : L’un des problèmes majeurs posés par les électrolytes solides est leur stabilité. Ainsi, les matériaux utilisés ont tendance à la dilatation. De plus, d’autres nouveaux matériaux, dont l’usage est permis par un électrolyte solide, posent problème. C’est le cas des électrodes négatives en lithium lithium métallique (en lieu et place du carbone graphite généralement utilisé sur les batteries liquide), qui semblent favoriser la formation de dendrites. Ces longs fils s’accumulent dans le corps de la batterie et diminuent fortement sa durée de vie en augmentant considérablement le risque de courts-circuits. Enfin, ces batteries ne fonctionnent encore que très mal à température ambiante et nécessitent donc pour l’instant la présence d’appareillage supplémentaire, les rendant particulièrement lourdes et volumineuses.
  • DES PROBLÈMES INDUSTRIELS : Le développement de technologies de pointe dans un but commercial ne se limite en effet pas au développement de ces technologies. Des chaînes de productions aux processus hautement standardisés doivent également être développées et mises en en place. Des problèmes peuvent survenir à différents niveaux de la chaîne, tel que celui posé par la relative rareté du lithium brut. Aujourd’hui, le coût de production d’une batterie solide est huit fois supérieur à celui d’une batterie liquide. Les coûts de production de ces dernières ayant cependant fortement diminué ces dernières années, du fait notamment de l’augmentation de la demande et donc de la production, on peut prévoir que les prix des batteries solides suivront une évolution similaire.
  • UN ASPECT COMMERCIAL : Il faut néanmoins garder à l’esprit que la technologie des batteries solides fait l’objet d’une course à l’innovation entre constructeurs automobiles. Ceci pose un problème de transparence, puisqu’il est difficile de documenter la progression réelle de recherches relevant du secret industriel. Il faut ainsi se baser sur les déclarations faites par les entreprises, mais celles-ci pourraient avoir un fort effet.
  • d’annonce, les constructeurs cherchant à créer l’événement pour des raisons d’image. Il est alors justifié de se poser la question de la correspondance entre résultats annoncés et résultats obtenus, ainsi que celle du respect des délais. En gardant ces éléments à l’esprit, il reste que des fabricants parmi les leaders du marché ont annoncé – en partenariat avec des industries spécialisées – leurs premiers modèles de batteries solides pour la seconde moitié de la décennie. Des partenariats tels Toyota-Panasonic, Volkswagen-QuantumScape, Stellantis-Total, Ford et BMW avec Solid Power ou encore Hyundai avec Solid Energy Systems. Les sociétés Tesla et Samsung prennent également de leur côté part à la course.
 CONCLUSION : 

Les batteries à électrolytes solides sont-elles l’avenir de la mobilité ? D’après de nombreux constructeurs automobiles, elles constituent au moins celui des batteries électriques. Les promesses d’une autonomie et d’une durée de vie augmentées ainsi que d’un temps de charge et d’une voluminosité diminuées les font valoir comme une alternative améliorée aux batteries liquide et font entrevoir la possibilité d’une généralisation des mobilités électriques. Mais les nombreux problèmes qui se posent avant d’entamer leur production de masse nous laissent penser qu’il faudra sûrement attendre encore quelques années avant de voir si ces promesses seront tenues.

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